原子世界的纳米拓扑

物理学家利用二维膜的纳米尺度图像对原子性薄材料的结构进行了深入研究。

纳米材料是解决世界上一些最大工程挑战的前沿。从超轻型自行车到纳米技术使量子电子成为可能，研究人员都渴望挖掘这些材料的巨大潜力。

但是，从原子水平上扩大规模是一项艰巨的任务，制造可用数量的纳米材料仍然是材料科学家和工程师的一个重要障碍。

现在，宾夕法尼亚大学物理与天文学系的研究人员正在为纳米材料应用的未来铺平道路，他们提供了这些二维薄膜是如何形成的见解。发表在《纳米快报》杂志上的Marija Drndic实验室的研究也提供了这些材料在纳米尺度上的外观。

这项研究建立在DRNDIC实验室以前的工作基础上，重点研究“不太吸引人”的二维膜。该领域的大多数研究都集中在由只有一个原子厚度的单层组成的膜上。在这项研究中，DRNDIC实验室使用了厚度混合的膜。在膜的某些区域，厚度仅为一个或两个原子，而在其他区域，膜的厚度约为10个原子。

这些膜被认为“不太有吸引力”，因为它们可能不适合电子设备等应用。然而，这些膜很坚固，用途广泛，而且在实验室中更容易制造。“这种额外的坚固性可用于脱盐或气体输送等应用，”参与研究的研究生Priyanka Thiruraman说。

制作这种多孔二维膜需要三个步骤。第一种方法是在含有硫蒸气的室中加热到800°C（约1470°F），在钼箔板上生长膜。这一过程形成了二维膜，由与硫结合的钼制成。

第二步是使用一种称为酸蚀的工艺，在膜上添加原子尺度的孔。生长和蚀刻都可以在一天内完成。“你不需要任何特殊的化学物质来制造这些膜，”保罗·马西哈达斯说，他是这项研究的主要作者。“你甚至可以把它们放在地下室里。”

第三步是这项工作从你可以在地下室做的事情发展到尖端的物理研究。这也是使这项特别研究如此具有影响力的原因。

使用扫描透射电子显微镜，Masih Das能够以原子尺度拍摄这些膜，通过“纳米拓扑”使这些膜的形状栩栩如生。这些图像显示了膜内单个原子的布局，并显示了类似于原子山和山谷地图的图案。“我们可以看到这些多层二硫化钼膜的单个原子的这种结构水平，以前在相关文献中没有见过，”Drndic说。

MasihDas说这些结果是出乎意料的；他们认为他们会找到一种更均匀、更像网格的结构。这类意想不到的结果促使DRNDIC实验室不断探索未来如何使用这些“不那么有吸引力”的材料的潜力。

“脱盐的想法是自然而然的。不是我们计划的，而是我们为DNA测序应用所做的孔，我们注意到如果它们更小，我们就可以过滤离子。当我们第一次发表关于这个主题的文章时，那里根本没有多少论文。现在，突然之间，有更多的论文，也有更多的研究团体。

DRNDIC实验室继续研究二维薄膜和其他纳米材料的基本性质。“我们让它自然生长，”Ndic博士谈到她在实验室里所做的工作时说，“如果我们看到另一个机会，我们可能会抓住它。拥有这样的自由是很好的，在这种自由中，你不必总是承受压力来证明成本或应用程序的合理性。能探索和发现新事物真是太好了。”