Preparación de exfoliadas-Liquid Metal transición Dichalcogenide nanoláminas con Controlled tamaño y grosor: Un Estado del Protocolo de Arte

El objetivo de este protocolo es producir nanoláminas bidimensionales estabilizadas en líquido con tamaño lateral y espesor controlados a partir de cristales a granel. También demostramos métodos para caracterizar la morfología y determinar cuantitativamente las dimensiones de las nanohojas a partir de espectros de extinción. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en nanociencia, como la influencia de las dimensiones de las nanoláminas en las propiedades de las estructuras y los compuestos que contienen estas láminas exfoliadas en líquido.

La principal ventaja de esta técnica es que es aplicable a muchos materiales diferentes y solo requiere un equipo de laboratorio común. En particular, las métricas espectroscópicas permiten una evaluación rápida de las dispersiones que se producen. Farnia Rashvand, estudiante de doctorado, y Kevin Synnatschke, estudiante de maestría de mi laboratorio, demostrarán el procedimiento.

Para comenzar este procedimiento, monte una copa de metal debajo de un sonotrodo en un baño de hielo. Sumerja 0,6 gramos de un dicalcogenuro de metal de transición o polvo de TMD en 80 mililitros de una solución acuosa de surfactante de colato de sodio en el recipiente de metal. Mueva la punta plana sólida al fondo de la taza de metal y luego levántela aproximadamente un centímetro.

Envuelva papel de aluminio alrededor de la sonda sónica para evitar derrames. Para sonicar la mezcla por sonicación de sonda, ajuste la amplitud al 60% y la pulsación a seis segundos de encendido y dos segundos de apagado. A continuación, encienda el sonicador y ejecute el proceso durante una hora.

A continuación, centrifugar la dispersión a 2.660 veces g durante 1,5 horas. Después de desechar el sobrenadante, agregue 80 mililitros de solución de tensioactivo fresco al sedimento y agite la mezcla. Luego, transfiera la mezcla nuevamente a la taza de metal.

A continuación, someta la dispersión a una segunda sonicación más larga utilizando la punta sólida de cabeza plana durante cinco horas al 60% de amplitud bajo enfriamiento por hielo. Después de cada dos horas, detenga la sonicación y reemplace el baño de hielo. Eliminar las partículas no exfoliadas por centrifugación a 240 veces g durante dos horas.

Cuando termines, desecha el sedimento. A continuación, centrifugar el sobrenadante a una aceleración centrífuga más alta. Recoja el sedimento en tres a ocho milímetros de solución de surfactante fresco.

Centrifugar el sobrenadante a una aceleración centrífuga aún mayor de 950 veces g durante dos horas. A continuación, recoja el sedimento en tres a ocho mililitros de solución de surfactante fresca. Para la microscopía de fuerza atómica, diluya la dispersión para que sea casi transparente al ojo humano.

Después de esto, caliente una oblea a aproximadamente 170 grados centígrados en una placa caliente. A continuación, deposite la dispersión en la oblea precalentada. Enjuague bien la oblea con un mínimo de cinco mililitros de agua y tres mililitros de 2-Propanol para eliminar el surfactante residual y otras impurezas.

Después de esto, cargue la muestra en el instrumento AFM. Escanee y guarde varias imágenes en la muestra con el microscopio de fuerza atómica en modo de golpecito. Para muestras que contienen nanohojas más grandes, aumente el campo de visión hasta ocho por ocho micrómetros cuadrados y utilice velocidades de escaneo de 0,4 a 0,7 hercios.

Para realizar la medición del espesor, abra el software y seleccione la imagen AFM correspondiente a través de Archivo y Abrir. Corrija el fondo utilizando los datos de nivel por sustracción del plano medio, alinee filas y corrija cicatrices horizontales en la sección de procesamiento de datos del menú Inicio. Aplique las correcciones, cambie el color de la imagen para un mejor contraste haciendo clic con el botón derecho en la leyenda y establezca el plano Z en cero.

A continuación, amplíe la región elegida haciendo clic primero en la herramienta Recortar en el menú Inicio. A continuación, arrastre el cursor sobre la imagen para marcar la región elegida y pulse Aplicar. Marque crear nuevo canal para abrir la región seleccionada en una nueva ventana.

Seleccione extraer perfiles en el menú Herramientas y dibuje una línea a través de la nanohoja. Después de que se abra la ventana que muestra el perfil de longitud de espesor, introduzca el valor de espesor en una tabla. Tome el valor medio aproximado del perfil de espesor a través de la nanohoja, teniendo mucho cuidado de medir solo las nanohojas depositadas individualmente y no agregadas.

Para la adquisición espectral, diluya la muestra de alta concentración con el medio respectivo para producir extinciones por debajo de dos en todo el rango espectral. Establezca los incrementos para la adquisición espectral en 0,5 nanómetros en la configuración de instrumentos. Elija restar línea base en la configuración de instrumentos.

Después de colocar una cubeta que contenga la solución acuosa de colato de sodio en el espectrómetro, ejecute la medición. Después de esto, retire la cubeta del espectrómetro y vacíela. Agregue la muestra a la cubeta y coloque la cubeta en el espectrómetro.

A continuación, ejecute la medición. Utilizando el software de análisis de datos y gráficos, seleccione la columna que contiene la intensidad de la extinción. Haga clic en la pestaña Análisis, seleccione Matemáticas en el menú desplegable y haga clic en Diferenciar.

A continuación, seleccione Abrir cuadro de diálogo. Después de que se abra la nueva ventana, establezca la orden derivada en dos y presione OK. Seleccione la columna que contiene la derivada, haga clic en Análisis y elija Procesamiento de señales. Haga clic en Suavizar y luego seleccione Abrir cuadro de diálogo en el menú desplegable.

A continuación, elija Promedio adyacente como método de suavizado y establezca los puntos en 20. Represente el espectro suavizado resultante, que se muestra como nuevas columnas. Finalmente, lea la posición del pico de la segunda derivada colocando el cursor en el centro del pico.

La centrifugación en cascada líquida se utiliza para clasificar nanoláminas líquidas exfoliadas por tamaño y grosor, como se ha demostrado para el molibdeno y el disulfuro de tungsteno. Aquí se muestra una imagen AFM típica. Y el grosor de la nanohoja se convierte en número de capa mediante el análisis de altura del paso.

El análisis microscópico estadístico produce histogramas de longitud y número de capas. La longitud media de las nanohojas y el número de capas trazados en función de la aceleración central muestran una tendencia similar para ambos materiales. La longitud trazada en función del número de capas de nanohojas confirma que las nanohojas más pequeñas y delgadas se separan de las más grandes y gruesas.

Aquí se muestran los espectros de extinción óptica de disulfuro de molibdeno y tungsteno con diferentes tamaños y espesores medios de nanoláminas. Las correspondientes segundas derivadas ajustadas de la región del excitón A ilustran desplazamientos de picos bien definidos de la transición. Los datos de ambos materiales colapsan en la misma curva si se eligen las posiciones de pico adecuadas, lo que significa que el tamaño de la nanohoja se puede vincular cuantitativamente a la longitud de la nanohoja a través de las mismas ecuaciones.

El coeficiente de extinción del excitón A depende de la longitud, excepto en ciertas posiciones, por lo que el coeficiente de extinción correspondiente se puede utilizar como medida para la concentración de nanohojas. El número de capas se puede relacionar cuantitativamente con la posición del pico del excitón A. Una vez dominadas, se pueden producir grandes cantidades de dispersiones de nanoláminas exfoliadas en líquido con dimensiones controladas y conocidas en solo un par de días.

Esto es posible gracias a la determinación del tamaño de alto rendimiento basada en los espectros de extinción óptica. Dado que el tamaño de la nanohoja determina sus propiedades, el control del tamaño es crucial. Después del desarrollo de las métricas, esta técnica allanó el camino para que los investigadores las exploraran en una serie de aplicaciones, desde la electrocatálisis hasta la electrónica y el refuerzo compuesto.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo producir dispersiones de nanohojas de tamaño seleccionado utilizando procedimientos de exfoliación en fase líquida y centrifugación en cascada líquida. Después de la preparación de la dispersión, es muy importante realizar una caracterización básica mediante microscopía estadística y espectroscopía óptica de extinción para confirmar la naturaleza de los componentes de la dispersión. Lo más emocionante es que las dispersiones de nanohojas seleccionadas por el tamaño resultante pueden someterse a varios métodos de procesamiento en fase líquida para producir películas delgadas y otras estructuras que contienen nanohojas para una amplia gama de aplicaciones potenciales.