在世界范圍內(nèi)對石墨烯等原子薄材料的研究狂熱中，有一個領(lǐng)域沒有任何系統(tǒng)分析 - 盡管這些信息對于許多潛在應(yīng)用至關(guān)重要，包括海水淡化，DNA測序和量子通信設(shè)備和計(jì)算系統(tǒng)。

缺少的信息與這些2-D板中形成的微小缺陷或“孔”有關(guān)，當(dāng)材料的晶格中缺少某些原子時。

麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)解決了這個問題，他們已經(jīng)制作了一個確切尺寸和形狀的目錄，這些目錄最有可能被觀察到(與理論上可能的更多)相比，當(dāng)一定數(shù)量的原子被去除時來自原子晶格。結(jié)果在研究生Ananth Govind Rajan，化學(xué)工程系教授Daniel Blankschtein和Michael Strano以及麻省理工學(xué)院，洛克希德馬丁太空和牛津大學(xué)的其他四篇論文的自然材料雜志上有所描述。

“這是石墨烯領(lǐng)域長期存在的問題，我們稱之為納米孔的異構(gòu)體編目問題，”斯特拉諾說。他說，對于那些想要使用石墨烯或類似的二維片狀材料進(jìn)行化學(xué)分離或過濾等應(yīng)用的人來說，“我們只需要了解可能發(fā)生的原子缺陷的種類”，與數(shù)量大得多的人相比從未見過。

例如，Blankschtein指出，通過從石墨烯中的六角形雞絲狀原子陣列中僅去除八個連續(xù)的碳原子，所產(chǎn)生的孔可能具有66種不同的可能形狀。當(dāng)移除的原子數(shù)增加到12時，可能形狀的數(shù)量躍升至3,226，并且移除30個原子，有4000億種可能性 - 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何合理的模擬和分析可能性。然而實(shí)際上只有少數(shù)這些形狀被發(fā)現(xiàn)，因此預(yù)測哪些形狀真正發(fā)生的能力對研究人員來說非常有用。

斯特拉諾說，由于缺乏關(guān)于實(shí)際可以形成哪種孔的信息，“實(shí)際上，這樣做是因?yàn)樗梢詫⒛糜?jì)算機(jī)模擬的內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際可以測量的內(nèi)容斷開。” 他說，這種實(shí)際可能形狀的新目錄將使得針對特定用途的材料的搜索更加易于管理。

進(jìn)行分析的能力依賴于以前根本無法獲得的許多工具。“10年前你無法解決這個問題，”斯特拉諾說。但現(xiàn)在，通過使用包括化學(xué)圖論，精確電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和高分辨率掃描透射電子顯微鏡在內(nèi)的工具，研究人員已經(jīng)捕獲了顯示單個原子精確位置的缺陷圖像。

該團(tuán)隊(duì)將這些孔稱為晶格“抗分子”，并根據(jù)已被去除的原子形成的形狀描述它們。這種方法首次提供了一個簡單而連貫的框架，用于描述這些復(fù)雜形狀的整個集合。Govind Rajan說，以前，“如果你在談?wù)摬牧现械倪@些毛孔，就沒有辦法確定”所涉及的特定孔洞。他補(bǔ)充說：“一旦人們開始更頻繁地創(chuàng)造這些毛孔，最好有一個命名慣例”來識別它們。

這個新目錄可以幫助開辟各種潛在的應(yīng)用程序。“缺陷既好又壞，”斯特拉諾解釋說。“有時候你想要阻止它們”，因?yàn)樗鼈兿魅趿瞬牧?，?ldquo;有時你想要制造它們并控制它們的尺寸和形狀”，例如用于過濾，化學(xué)處理或DNA測序，其中只有某些特定分子可以穿過這些洞。另一種應(yīng)用可能是量子計(jì)算或通信設(shè)備，其中特定尺寸和形狀的孔被調(diào)諧以發(fā)射特定顏色和能量水平的光子。

Govind Rajan說，除了它們對材料機(jī)械性能的影響外，孔還會影響電子，磁性和光學(xué)特性。

斯特拉諾預(yù)測，“我們認(rèn)為這項(xiàng)工作將成為研究二維材料缺陷的有價(jià)值的工具”，因?yàn)樗鼘⑹寡芯咳藛T能夠找到有希望的缺陷類型，而不必通過無數(shù)理論上可能的形狀進(jìn)行分類“你根本不在乎，因?yàn)樗鼈兪侨绱瞬豢赡?，它們永遠(yuǎn)不會形成。“