Sciencemag.cz
Doporučujeme
Projektily v měřítku nanometrů. Když elektricky nabité částice proletí ultratenkými vrstvami materiálu, někdy dochází k následným mikrovýbuchům a jindy zůstává materiál téměř neporušený. Důvody tohoto jevu nyní vysvětlili vědci z TU Wien.
Vědci zkoušeli bombardovat ultratenké materiály vysoce elektricky nabitými ionty, jako jsou např. jádra xenonu nebo jiných vzácných plynů. Ty lze připravit s elektrickými náboji +30 nebo i +40 a v důsledku toho pak prudce a snadno urychlit elektrickým polem. To, co se stane po nárazu takového vysokoenergetického iontu na tenkou vrstvu, závisí na materiálu. Někdy projektil pronikne vrstvou, aniž by v důsledku toho došlo k nějaké znatelné změně. Jindy je vrstva materiálu kolem místa dopadu zcela zničena, dojde k uvolnění četných atomů a vzniku otvoru o průměru několika nanometrů.
Tyto rozdíly lze vysvětlit tím, že za vznik děr není primárně zodpovědná hybnost projektilu, ale jeho elektrický náboj. Když iont s vícenásobným kladným nábojem narazí do vrstvy materiálu, přitáhne větší množství elektronů a vezme je s sebou. Ve vrstvě materiálu tak zůstane kladně nabitá oblast. Další průběh závisí na tom, jak rychle se elektrony mohou v tomto materiálu pohybovat. „Grafen má extrémně vysokou pohyblivost elektronů. Lokální kladný náboj se proto může vyrovnat během krátké doby. Elektrony sem jednoduše proudí odjinud,“ uvádí jeden z autorů článku Christoph Lemell z Vídeňské technické univerzity. V jiných 2D (nebo skoro 2D, extrémně tenkých) materiálech, jako je sulfid molybdeničitý MoS2, vše funguje jinak: elektrony jsou pomalejší a z okolí se do místa dopadu dostat však nestihnou. A tak v místě nárazu dojde k miniexplozi: Kladně nabité atomy, kterým střela odebrala elektrony, se vzájemně odpuzují, odlétají pryč a vzniká nanopór. Nový model dokáže chování materiálu poměrně dobře předvídat v závislosti na chování elektronů v materiálu a elektrického náboje projektilu (poznámka PH: pro normální aplikace zde příslušné náboje samozřejmě nebudou tak vysoké, alespoň v přepočtu na hmotnost projektilu; potřebujeme prostě vzoreček, kam něco dosadíme).
Model také vysvětluje to, že atomy vyražené z materiálu se pohybují relativně pomalu. Jsou z totiž vyraženy elektrickým odpuzováním až poté, co projektil již prošel vrstvou. Při tomto procesu se zdaleka ne všechna energie elektrického odpuzování přenese na vystřelené atomy – velká část se jí pohltí ve zbývajícím materiálu ve formě vibrací/tepla.
Výsledné hlubší pochopení procesů na povrchu atomů lze využít např. pro konstrukci membrán, od nichž požadujeme, aby určité látky zachycovaly nebo naopak propouštěly. Ne za všech okolností je pak nutné v takových membránách vytvářet póry (někdy může materiál propouštět částice i bez pórů a vlastního poškození). A pokud ano, dokážeme s pomocí nového modelu lépe vytvářet i nanopóry na míru konkrétním aplikacím.
Alexander Sagar Grossek et al, Model for Nanopore Formation in Two-Dimensional Materials by Impact of Highly Charged Ions, Nano Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03894
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org
