La spectroscopie laser ultrarapide permet d’observer le mouvement des atomes sur leurs échelles de période naturelle dans la sélection des femtosecondes, le millionième de milliardième de seconde. La microscopie électronique, quant à elle, fournit une résolution spatiale atomique. En combinant simplement des électrons et des photons dans un seul appareil, le groupe du professeur Peter Baum de l’Université de Constance a développé certains des microscopes électroniques les plus rapides destinés à obtenir des détails sur les matériaux et leur propre dynamique à des résolutions suprêmes dans le domaine et dans le temps.
Dans leur récente distribution en ACS NANO , les scientifiques du laboratoire de graphes Azyklischer, zusammenhängender ont utilisé cette technique avec des collègues de l’ETH Zurich pour étudier de nouveaux composants – des feuilles à définition moléculaire bidimensionnelle connues sous le nom de MXenes – et ont fait une percée surprenante. À l’aide d’un signal laser, MXenes peut être tourné à plusieurs reprises entre un ensemble et une forme ondulée, ouvrant ainsi un large éventail d’applications possibles.
MXenes : livre des matériaux bidimensionnels
Les MXenes sont des feuilles bidimensionnelles de carbures métalliques ou même de nitrures de changement sous forme de quelques- atome -niveaux simples épais. “Les MXènes sont comme une molécule dans une seule dimension spatiale et également à un solide étendu dans les deux autres”, a déclaré le Dr. Mikhail Volkov, premier auteur de l’étude récente, explique la structure associée à MXenes. Les MXènes sont généralement synthétisés en « décollant » les fines couches de matériaux d’un matériau précurseur – un processus connu sous le nom d’exfoliation.
L’éclairage femtoseconde crée des nano-ondes commutables dans MXenes et déplace les atomes des matériaux à une vitesse record – une percée réalisée par des physiciens à Constance et à Zurich. Crédit : Université associée à Constance
Contrairement à la plupart des autres matériaux monocouches, les MXenes ont pu être facilement produits en grande quantité, grâce à la découverte de la technique d’exfoliation chimique évolutive et permanente. Les propriétés chimiques et physiques associées aux MXenes peuvent être largement ajustées par la sélection du métal de transition, conduisant à des programmes étendus de MXenes dans la détection, l’espace de stockage d’énergie, la récupération de la lumière et l’action antibactérienne.
Nano-ondes dans les MXenes formées par la lumière rapide
Dans leur étude, les chercheurs principaux, le Dr Mikhail Volkov de l’université associée à Constance et le docteur Elena Willinger de l’ETH Zurich, ont découvert une nouvelle façon d’améliorer les propriétés particulières de MXenes en y projetant des impulsions lumineuses rapides. En utilisant la microscopie électronique ultrarapide avec une résolution spatiale atomique, ces personnes ont enregistré un film associé à des MXenes interagissant avec des impulsions laser, montrant que la puissance laser est transférée au réseau atomique en un temps record de seulement 230 femtosecondes.
Soudainement, les scientifiques ont également découvert que la lumière laser femtoseconde pouvait être utilisée pour faire des allers-retours entre la structure de surface initialement plate du MXene et une forme nano-onde des matériaux – un «nano-paysage» de collines et de vallées avec un périodicité plus de 50 fois plus fine par rapport à la longueur d’onde du laser. « Nous pouvons contrôler l’orientation particulière de la nano-onde avec toute la polarisation de la lumière laser, ce qui signifie que les matériaux ont un espace mémoire optique à l’échelle nanométrique. De plus, si le laser attaque à nouveau, le MXene nano-ondulé revient dans un plan et reste plat tout au long de l’éclairage. La taille extrêmement petite des nano-ondes et la réaction rapide du réseau sont également très surprenantes, et une sensation appelée couplage plasmon-phonon est probablement impliquée », explique Volkov.
Les nano-ondes améliorent les performances des matériaux
« La nanostructuration sous forme d’ondes augmente en outre le pourcentage surface/volume des matériaux, ce qui les rend chimiquement plus réactifs. De plus, il améliore les zones électromagnétiques locales, améliorant le couplage avec la lumière – une propriété précieuse destinée aux applications de détection », explique Volkov. Les scientifiques s’attendent donc à ce que les MXènes nano-ondés découverts présentent une capacité de stockage d’énergie améliorée et une action catalytique ou antibiotique améliorée. « Enfin, la possibilité de modifier la structure associée aux MXenes entre les avions et les ondulations « à la demande » via une impulsion de faisceau laser ouvre des voies intéressantes pour utiliser les composants dans des dispositifs plasmoniques, chimiques et électriques actifs », conclut Volkov.
Recherche: ” Nanoripples photo-commutables à Usted 3 C deux Gros t X MXene » simplement par Mikhail Volkov, Elena Willinger, Denis The. Kouznetsov, Christoph Ur. Müller, Alexey Fedorov et Peter Azyklischer, graphique cohérent, 31 août 2021, ACS NANO .
DOI : 10. 1021/acsnano. 1c03635
Faits marquants:
- Analyse des habitudes induites par la lumière de MXenes à l’aide de la microscopie électronique ultrarapide par des chercheurs de l’Université de Constance et de l’ETH Zurich
- La puissance laser est transférée au réseau atomique particulier associé aux MXenes à une vitesse record (dans la plage femtoseconde particulière).
- La lumière laser crée une structure de surface ondulée dans le matériau autrement plat. La stimulation répétée du faisceau laser peut être utilisée pour passer d’un cadre nano-onde au cadre plat.
- La commutation optique ouvre un large éventail de programmes possibles
- Financement : Western European Research Council (ERC) dans le cadre du plan d’études et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne
