นักวิทยาศาสตร์ค้นพบรูปแบบใหม่ของการเติบโตของวัสดุ

จนถึงปัจจุบัน การค้นพบวัสดุใหม่และการพัฒนาวัสดุขึ้นอยู่กับประสบการณ์ที่ได้รับจากการทดลองหลายๆ ครั้ง ดังนั้นจึงใช้เวลานานมาก การออกแบบและการสังเคราะห์วัสดุที่ควบคุมได้ซึ่งชี้นำโดยทฤษฎีสามารถเร่งการค้นพบและพัฒนาวัสดุใหม่ได้อย่างมาก ซึ่งเป็นความปรารถนาอันยาวนานของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเข้าใจที่จำกัดเกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์วัสดุ จึงไม่เคยเกิดขึ้นจริงอย่างสมบูรณ์

การศึกษาใหม่โดยนักวิทยาศาสตร์จาก UNIST ได้เสนอวิธีใหม่ในการแสดงตัวอย่างการสังเคราะห์กราฟีนที่ควบคุมได้ผ่านความเข้าใจทางทฤษฎีของกลไกการเติบโต การศึกษานี้สามารถปูทางสำหรับการสังเคราะห์วัสดุที่ดีขึ้นอย่างรวดเร็วในอนาคตโดยได้รับคำแนะนำจากการศึกษาเชิงทฤษฎี

เกลียวกราฟีนชั้นที่สอง
สัณฐานวิทยาต่างๆ ของเกลียวกราฟีนชั้นที่สอง เครดิต: UNIST

พวกเขาสังเคราะห์ชุดของเกลียวหลายชั้นหรือแขนกราฟีนที่แหลมเป็นเกลียวใต้หมู่เกาะกราฟีนหกเหลี่ยม เกลียวกราฟีนมีคุณสมบัติดังนี้:

  • กราฟีนชั้นเสริมที่ปลูกใต้รูปหกเหลี่ยมกราฟีน
  • อาจมีแขนรูปเกลียว 1, 2, 3, 4, 5, 6
  • ปลายแขนกราฟีนแบบก้นหอยจะสัมผัสกับขอบของชั้นกราฟีนหกเหลี่ยมแรกเสมอ

การก่อตัวของวัสดุรูปทรงเกลียวไม่เคยพบเห็นในวัสดุอื่นมาก่อน และด้วยเหตุนี้ จึงไม่มีทฤษฎีเกี่ยวกับวัสดุแบบดั้งเดิมที่สามารถอธิบายได้ นอกจากนี้ การสังเกตเกลียวกราฟีนยังเผยให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจนในการเติบโตของกราฟีนชั้นที่หนึ่งและชั้นที่สอง ความเข้าใจเชิงทฤษฎีอย่างละเอียดเกี่ยวกับความแตกต่างนี้อาจนำไปสู่วิธีแก้ปัญหาการเจริญเติบโตของกราฟีนที่ควบคุมความหนาได้ ซึ่งเป็นปัญหาระยะยาวที่เป็นปัญหาในการสังเคราะห์กราฟีน

นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองการเติบโตของกราฟีนแบบก้นหอยโดยใช้วิธีจลนศาสตร์ Monte Carlo (kMC) และเปิดเผยกลไกการเติบโตของโครงสร้าง adlayer ของกราฟีนแบบเกลียวหลังจากลักษณะการทดลองอย่างเข้มงวดของวัสดุที่สร้างขึ้นและความพยายามทางทฤษฎี

การจำลองแบบจลนพลศาสตร์ของ Monte Carlo ทำซ้ำการสังเกตเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์แบบและให้ภาพที่ใช้งานง่ายของกลไกการเติบโต

เกาะกราฟีนเกลียวเดียว
ลักษณะของเกาะกราฟีนเกลียวเดี่ยวที่ปลูกบนกระดาษฟอยล์ Cu เครดิต: UNIST

ดร.เสี่ยวกง ผู้เขียนบทความฉบับแรกกล่าวว่า “การเติบโตของกราฟีนแอดเลเยอร์ในรูปของรูปทรงเกลียวนั้นเกิดจากสารตั้งต้นคาร์บอนจำกัดที่กระจายจากขอบของชั้นกราฟีนแรก ถ้าปริมาณของสารตั้งต้นของคาร์บอนที่อยู่ใต้ชั้นกราฟีนแรกไม่เพียงพอที่จะทำให้ชั้นกราฟีนสมบูรณ์ กราฟีน adlayer จะครอบคลุมเศษส่วนของพื้นที่ด้านล่างด้วยรูปแบบเฉพาะ เช่น แขนกราฟีนแบบเกลียวที่สังเกตได้ ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะสูงกว่าที่ขอบของชั้นแรกของกราฟีน ดังนั้นปลายของเกลียวกราฟีนจึงติดอยู่ที่ขอบของชั้นกราฟีนแรกเสมอเพื่อกำจัดสารตั้งต้นที่กระจายจากขอบของกราฟีนชั้นแรก”

“กลไกการเติบโตช่วยให้เราเข้าใจบทบาทของสารตั้งต้นคาร์บอนที่ให้การเติบโตของกราฟีน หากเราสามารถควบคุมการป้อนสารตั้งต้นของคาร์บอนระหว่างการเติบโตของกราฟีน เราก็ควรจะควบคุมความหนาของกราฟีนได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น ผลลัพธ์ของเราจึงเป็นวิธีการใหม่ในการควบคุมการเจริญเติบโตของกราฟีนหลายชั้น”

นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านที่มีความละเอียดสูงเพื่อระบุลักษณะตัวอย่าง สิ่งนี้ให้ข้อมูลที่สำคัญของโครงสร้างเกลียวกราฟีนและนำไปสู่ความเข้าใจเชิงทฤษฎีที่สมบูรณ์ของกลไกการเติบโต

การอ้างอิงวารสาร:

  1. Haibin Sun, Xiao Kong, Hyoju Park, et al., “Spiral Growth of Adlayer Graphene” วัสดุขั้นสูง (2022) ดอย: 10.1002/adma.202107587

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*