Dążąc do tego celu opracowali sposób pozwalający precyzyjnie kontrolować kształt tzw. nanoporów w tym materiale i pokazali, że ostateczny kształt powstających otworów zależy zarówno od działania wiązki elektronów, jak i od atmosfery otaczającej materiał. W warunkach ultrawysokiej próżni powstają nanopory o kształcie zbliżonym do koła, natomiast dodanie niewielkiej ilości tlenu prowadzi do powstawania otworów trójkątnych.
Heksagonalny azotek boru, skrótowo oznaczany hBN, jest materiałem dwuwymiarowym zbudowanym z pojedynczej warstwy atomów. Jego struktura przypomina grafen, jednak istnieje między nimi istotna różnica. Podczas gdy grafen może przewodzić prąd, hBN jest izolatorem elektrycznym. Materiał cechuje się przy tym stabilnością i pozwala tworzyć bardzo cienką barierę chroniącą inne materiały dwuwymiarowe przed wpływem otoczenia.
Czytaj też: Materiał, który zmienia kolor, choć tego nie zobaczysz. Naukowcy wypowiedzieli wojnę podróbkom
Właściwości hBN można jednak zmienić poprzez wprowadzenie do jego struktury niewielkich otworów. Jeżeli nanopory mają średnicę wynoszącą zaledwie kilka atomów, wcześniej szczelna warstwa może stać się membraną przepuszczającą wybrane cząsteczki lub jony. Takie rozwiązanie powinno w przyszłości umożliwiać bardziej precyzyjną filtrację substancji, a także analizowanie pojedynczych cząsteczek DNA przechodzących przez nanopory.
W przypadku struktur o tak małych rozmiarach znaczenie ma średnica otworu, ale i jego kształt oraz rodzaj atomów znajdujących się na krawędzi. To właśnie te szczegóły decydują o tym, jak nanopory będą oddziaływać z przechodzącymi przez nie cząsteczkami. Z tego powodu możliwość kontrolowania budowy otworu na poziomie pojedynczych atomów ma mieć duże znaczenie dla projektowania przyszłych materiałów.
Jani Kotakoski i jego współpracownicy wykorzystali w badaniach transmisyjny mikroskop elektronowy. Wiązka elektronów pełni w takim eksperymencie podwójną funkcję. Pozwala obserwować strukturę materiału z rozdzielczością sięgającą pojedynczych atomów, a jednocześnie może zmieniać tę strukturę. Elektrony uderzające w powierzchnię hBN mogą wybijać z niej atomy. Gdy napromienianie trwa wystarczająco długo, powstające początkowo niewielkie defekty zaczynają się powiększać i przekształcają się w nanopory.
Od niemal dwóch dekad wiadomo było, że napromienianie heksagonalnego azotku boru często prowadzi do powstawania otworów o charakterystycznym trójkątnym kształcie. Dotychczas tłumaczono to przede wszystkim różnicami w podatności atomów boru i azotu na usuwanie przez elektrony. Badacze z Wiednia wykazali jednak, że za obserwowany kształt odpowiada znacznie bardziej złożony mechanizm.
Kluczowe okazało się otoczenie próbki. Naukowcy wykorzystali mikroskop wyposażony w układ umożliwiający uzyskanie wyjątkowo wysokiej próżni oraz kontrolowane wprowadzanie wybranych gazów. Dzięki temu mogli sprawdzić, jak na proces powstawania nanopórów wpływają poszczególne składniki atmosfery. W warunkach ultrawysokiej próżni, kiedy wpływ gazów znajdujących się wokół próbki został ograniczony do minimum, elektrony usuwały atomy boru i azotu w podobnym tempie. W rezultacie powstawały przede wszystkim nanopory o kształcie okrągłym. Obraz zmieniał się po dodaniu niewielkiej ilości tlenu. Wówczas atomy boru były usuwane znacznie łatwiej, a w materiale zaczynały tworzyć się trójkątne otwory, których krawędzie kończyły się atomami azotu.
Czytaj też: Niezwykła obserwacja przemiany materii kwantowej. Elektrony niczym lód
Jak dodają autorzy, sam tlen nie wystarczał do wywołania tego efektu: dopiero działanie wiązki elektronów na cząsteczki tlenu prowadzi do powstania reaktywnych form chemicznych, które mogą następnie atakować strukturę azotku boru. Oznacza to, że podczas tworzenia nanoporu jednocześnie zachodzą procesy fizyczne i chemiczne.
Jeśli zaś chodzi o praktyczne zastosowania, to odkrycie zespołu z Wiednia otwiera możliwość jeszcze bardziej precyzyjnego projektowania struktur w materiałach dwuwymiarowych. Naukowcy spodziewają się, że podobne metody kontroli sprawdzą się również w przypadku innych materiałów, a dalsze eksperymenty powinny pozwolić na tworzenie w hBN także innych kształtów nanoporów. Takowe mogłyby się sprawdzić w systemach filtracyjnych, technologiach pozwalających analizować DNA, a nawet w katalizie.
Źródło: Nature Communications
