Quantitative Modelling of Solvation in 2D Materials via Alchemical Decoupling and Potential Energy Surfaces

Stel je een wereld voor die is opgebouwd uit vellen materiaal die zo dun zijn dat ze slechts een enkele atoom dik zijn. Deze tweedimensionale materialen, zoals de beroemde koolstofvellen bekend als grafeen of de molybdeendisulfide-vellen die in deze studie worden gebruikt, bezitten unieke eigenschappen die hun dikkere, volumere tegenhangers niet hebben. Om ze te gebruiken, moeten wetenschappers deze vellen eerst scheiden van een solide blok, een proces dat exfoliatie wordt genoemd. De meest gebruikelijke manier om dit te doen, is door het vaste materiaal te mengen in een vloeistof, in de hoop dat de vloeistof tussen de lagen glipt en ze uit elkaar duwt. Het houden van deze vellen in suspensie zonder dat ze weer aan elkaar klonteren, is echter een hardnekkig vraagstuk. De vloeistof moet sterk genoeg zijn om de natuurlijke aantrekkingskracht tussen de vellen te overwinnen, maar tegelijkertijd zacht genoeg om de delicate lagen niet te vernietigen. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd te voorspellen welke vloeistoffen het beste werken, waarbij ze vaak vertrouwden op trial-and-error omdat de krachten die in het spel zijn ongelooflijk complex zijn en plaatsvinden op tijdschalen die moeilijk direct te observeren zijn.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om deze onzichtbare interacties te modelleren, wat een duidelijker beeld geeft van waarom sommige vloeistoffen de vellen uit elkaar houden terwijl andere dat niet doen. In plaats van te proberen het hele, langzame proces van het scheiden van de vellen in realtime te simuleren, wat computationeel onmogelijk is, gebruikten ze een slimme computationele strategie. Ze deelden het probleem op in twee delen: eerst berekenden ze de energie die nodig is om twee vellen in een vacuüm uit elkaar te trekend, en daarna berekenden ze de energie die nodig is om die vellen te omringen met een vloeistof. Door deze twee afzonderlijke berekeningen wiskundig aan elkaar te koppelen, creëerden ze een volledige kaart van het energielandschap. Deze kaart onthult de verborgen barrières die de vellen moeten overwinnen om volledig te scheiden, en laat zien dat het proces veel moeilijker is dan voorheen werd aangenomen.

De studie richtte zich op molybdeendisulfide, een materiaal dat vaak wordt gebruikt in de elektronica, en testte het in vier verschillende vloeistoffen: dimethylformamide, dimethylsulfoxide, isopropanol en water. De onderzoekers ontdekten dat voor drie van deze vloeistoffen de energiebarrière om de vloeistof volledig tussen de vellen te verwijderen verrassend hoog is. Dit suggereert dat wanneer de vellen geaggregeerd of aan elkaar geplakt lijken te zijn, ze eigenlijk niet direct contact maken. In plaats daarvan blijft er een enkele, hardnekkige laag vloeistofmoleculen gevangen tussen hen, die fungeert als een afstandhouder die voorkomt dat de vellen weer aan elkaar versmelten. Deze bevinding spreekt eerdere modellen tegen die voorspelden dat de vellen gemakkelijk alle vloeistof eruit zouden kunnen duwen en direct contact met elkaar zouden krijgen. De nieuwe simulaties laten zien dat het systeem voor de meeste oplosmiddelen vastloopt in een stabiele toestand met die enkele laag vloeistof intact, wat verklaart waarom het materiaal in de oplossing gedispergeerd blijft.

Water gedroeg zich anders in de simulaties. Omdat watermoleculen klein zijn en zeer sterk met elkaar interageren, was de energiebarrière om het water te verwijderen laag. Dit stelde de vellen in staat om het water volledig eruit te duwen en direct contact met elkaar te maken, wat leidde tot de snelle klontering die experimentatoren al lang waarnemen. De onderzoekers merkten op dat water een slecht oplosmiddel is voor dit materiaal, en hun model bevestigt dat het gebrek aan een beschermende vloeistoflaag de reden is. Voor de andere oplosmiddelen lieten de simulaties zien dat de vloeistofmoleculen zich in specifieke, geordende patronen tussen de vellen rangschikken. In sommige gevallen staan de moleculen verticaal op, terwijl ze in andere gevallen plat liggen, waardoor een stabiele structuur ontstaat die de vellen uit elkaar houdt. De energie die nodig is om deze structuur te breken en de vellen bij elkaar te dwingen, is zo groot dat het onwaarschijnlijk is dat dit onder normale omstandigheden gebeurt.

Dit werk vormt een significante verschuiving in hoe wetenschappers deze materialen begrijpen. Eerdere computermodellen suggereerden dat de vellen gemakkelijk langs elkaar zouden kunnen glijden en de vloeistof zouden uitstoten, maar die modellen lieten de vellen tijdens de berekening buigen in onrealistische vormen. Door deze onfysische buigingen te voorkomen en een striktere methode te gebruiken om de vacuüm- en vloeistoftoestanden te verbinden, onthult de nieuwe studie een veel hogere barrière voor scheiding. De resultaten komen nauw overeen met experimentele gegevens, zoals de gemeten afstand tussen lagen in materialen die zijn opgedroogd, die vaak een enkele laag oplosmiddel bevatten. De studie suggereert dat de sleutel tot het in suspensie houden van deze materialen niet alleen de chemische aard van de vloeistof is, maar de specifieke manier waarop de vloeistofmoleculen zichzelf organiseren in een beschermend schild van één molecuul dik.

De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan alleen het begrijpen van waarom materialen klonteren of uit elkaar blijven. Door de energie van solvatatie, oftewel hoeveel een vloeistof van het omringen van het materiaal houdt, nauwkeurig te berekenen, kunnen wetenschappers nu beter voorspellen welke vloeistoffen het beste zullen werken voor het creëren van stabiele suspensies. Dit brengt het vakgebied weg van gissen en naar een rationeler ontwerp van oplosmiddelen voor de verwerking van tweedimensionale materialen. Hoewel de studie zich richtte op molybdeendisulfide, kan de methode worden toegepast op andere materialen zoals grafeen of fosforeen. De bevindingen suggereren dat de laatste laag oplosmiddel niet slechts een passieve toeschouwer is, maar een actieve deelnemer aan het gescheiden houden van de vellen, een detail dat voorheen werd over het hoofd gezien maar nu wordt begrepen als de cruciale factor in de stabiliteit van deze geavanceerde materialen.