使用混沌作为工具科学家们发现了制造3D异质结构材料的新方法

能源部艾姆斯实验室的科学家和他们来自爱荷华州立大学的合作者开发了一种新方法来生成分层的、难以组合的异质结构固体。由不同结构单元层组成的异质结构材料显示出独特的电子传输和磁性，这些特性受结构不同的结构单元之间的量子相互作用控制，并为电子和能源应用开辟了新的途径。

制作它们的技术既简单又违反直觉——它涉及粉碎原始材料以建造新材料。该技术被称为机械化学，它使用球磨来分离结构上不相称的固体——那些没有匹配的原子排列——并将它们重新组装成独特的三维 (3-D) “错配”异质组件。通过铣削将事物粉碎在一起似乎是实现原子排序的最不合理的方法，但事实证明它比科学家自己想象的更成功。

“我的一位同事评论说，我们的想法要么天真，要么聪明，”艾姆斯实验室高级科学家维克多·巴莱马 (Viktor Balema) 说。“前一段时间，我们发现在机械研磨过程中层状金属二硫属元素化物 (TMDC) 随机重排为 3-D 异质组件。这让我们感到非常惊讶，并引发了我们对通过机械化学处理进行原子排序的可能性的好奇心。”

金属硫属化物通常在其性质和用途上是独一无二的。它们可以显示出显着的电子传输行为，从完全缺乏导电性到超导性、光电和热电性能、机械柔韧性，尤其是形成稳定的二维单层、三维异质结构和其他纳米级量子材料的能力.

“纳米管、纳米膜(铁晶体)和剥离片形式的错配层状化合物 (MLC) 的纳米结构已经被研究了十多年，并提供了丰富的研究领域，也可能在可再生能源、催化和光电子学中提供令人兴奋的应用，以色列魏茨曼科学研究所的 Reshef Tenne 说，他是纳米结构合成方面的专家。“其大规模应用的一个障碍是高温和漫长的生长过程，这对于大规模应用来说是望而却步。由艾姆斯实验室 Balema 集团开发的机械化学过程，除了科学刺激外，让我们更接近实现这些有趣材料的实际应用。”

通常，这些复杂的材料，尤其是那些具有最不寻常结构和特性的材料，是使用两种不同的合成方法制成的。第一种称为自上而下的合成，使用二维 (2-D) 构建块来组装它们，使用增材制造技术。第二种方法，广泛定义为自下而上的合成，使用逐步化学反应，涉及纯元素或小分子，将单个单层沉积在彼此的顶部。两者都是艰苦的，并且还有其他缺点，例如在实际应用程序中使用的可扩展性差。

艾姆斯实验室团队将这两种方法结合到一个机械化学过程中，该过程同时剥离、分解和重新组合起始材料为新的异质结构，即使它们的晶体结构彼此不匹配(即错配)。在 X 射线衍射、扫描透射电子显微镜、拉曼光谱、电子传输研究以及有史以来第一次固态核磁共振(NMR) 实验结果的支持下，理论 (DFT) 计算解释了前体材料的重组和机械加工过程中形成新型 3-D 异质结构背后的驱动力。

“固态核磁共振光谱是表征从机械化学中获得的粉末材料的理想技术，”艾姆斯实验室科学家兼爱荷华州立大学化学教授 Aaron Rossini 说。“通过将从固态NMR 光谱获得的信息与其他表征技术相结合，我们能够获得 3-D 异质结构的完整图片。”

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