由能源部橡树岭国家实验室领导的一个小组合成了一个具有高表面积的微小结构，发现了它独特的结构是如何驱动离子通过界面传输能量或信息的。他们的“纳米刷”包含了交替晶体片的刷毛，这些晶体片具有垂直排列的界面和丰富的气孔。
领导这项研究的ORNL的Ho Nyung Lee说:“这些是主要的技术成就，可能会被证明在推进能源和信息技术方面有用。”这项研究发表在《自然通讯》上。“这是一个很好的例子，只有在国家实验室拥有独特的专业知识和能力的情况下，这项工作才是可行的。”
该团队的研究人员来自美国能源部国家实验室橡树岭和阿贡、麻省理工学院、哥伦比亚南卡罗来纳大学和诺克斯维尔田纳西大学。
他们的多层晶体或“超晶体”的刚毛是独立生长在基底上的。原ORNL博士后李东kyu Lee利用脉冲激光外延沉积并形成了萤石结构的氧化铈(CeO2)和bixbyite结构的氧化钇(Y2O3)的交替层。实现纳米级刚毛是可能的，因为发展了一种新的精密合成方法，控制原子扩散和聚集在薄膜材料的增长。使用扫描透射电子显微镜(又称STEM)，前ORNL博士后研究员高翔惊奇地发现，在刚毛中有原子级精确的晶体界面。
为了了解纳米刷内CeO2和Y2O3的分布情况，ORNL的Jonathan Poplawsky在nnl的美国能源部科学用户设施的纳米相材料科学中心使用原子探针断层扫描(APT)测量了刷毛的样品。Poplawsky说:“APT是唯一一种能够探测亚纳米分辨率和百万分之十化学灵敏度的材料中原子的三维位置的技术。”“APT澄清了纳米尺寸物体内原子的局部分布，是提供氧化铈和氧化钇层界面三维结构信息的绝佳平台。”
在2017年的一篇论文中，ornl领导的研究人员利用脉冲激光沉积的外延技术精确地合成了刚毛只含有一种化合物的纳米刷子。在2020年的论文中，他们用同样的方法将两种化合物CeO2和Y2O3分层，制造出第一种具有两种材料界面的混合刚毛。传统上，界面是通过在薄膜中分层不同的晶体来横向排列的，而在新型纳米刷中，当它生长在一个特定的表面上时，界面是通过表面能量最小化垂直排列的，这种刷只有10纳米宽，大约比人的头发细1万倍。
Ho Nyung Lee说:“这是一种构建晶体纳米结构的真正创新方法，杏耀代理开户提供了以前从未被认为可行的前所未有的垂直界面。”“你无法用任何其他的合成方法来实现这些完美的晶体结构。”
他补充说，“有很多方法可以利用界面，这就是为什么2000年诺贝尔奖得主赫伯特·克罗默说，‘界面就是设备。按照惯例，在基底上沉积薄膜材料层会创建水平对齐的界面，允许离子或电子沿着基底的2D平面移动。ORNL-led的成就证明了这样一种概念，即可以创建垂直排列的界面，通过这种界面电子或离子可以被运输出基片平面。此外，像纳米刷这样的结构可以与其他纳米级结构相结合，创造用于量子技术、传感以及能量存储的设备。
萤石结构的低能构型导致形成独特的人字形图案，或倒“V”形。萤石与铋矿晶体亚基的不同结构稍有失配，导致界面电荷失配，导致氧原子空出萤石侧，形成功能缺陷。留下的空间可以形成界面氧离子，并创造一个原子尺度的通道，离子可以通过它流动。李教授说:“我们不仅利用这些界面来人工制造氧离子，而且还可以更加谨慎地引导离子运动。”
在ORNL的Matthew Chisholm的帮助下，Gao利用STEM揭示了晶体的原子结构，并利用电子能谱揭示了界面的化学和电子性质。“我们观察到四分之一的氧原子在界面处丢失，”Chisholm说。“我们也对雪佛龙的增长模式感到惊讶。在一开始，真正理解鬃毛内部的界面是如何形成的是至关重要的。”
纳米刷具有高孔隙率，其结构有利于需要大表面积来最大化电子和化学相互作用的应用，如传感器、膜和电极。但是科学家如何确定材料的孔隙度呢?中子——能穿过材料而不破坏它们的中性粒子——提供了表征大块材料孔隙度的极好工具。科学家们利用散裂中子源的资源，在ORNL的美国能源部科学用户设施办公室进行扩展q -范围小角中子散射，确定孔隙率的上限为49%。“快速生长的刚毛可以提供大约200倍于2D薄膜的表面积，”ORNL的合著者迈克尔·菲茨西蒙斯说。
他补充说，“我们所学到的可能会推动中子科学在这一过程中的应用。尽管薄膜不能为中子光谱学研究提供足够的表面积，ORNL的新型纳米刷结构却可以，而且当SNS的第二个目标站有更明亮的中子束可用时，它可以成为一个学习更多界面材料的平台，这是一个受资助的建设项目。
从电子和原子水平对材料系统的理论计算支持了界面上产生氧空位的发现。MIT贡献者孙立新在Bilge Yildiz的指导下进行了密度泛函理论计算和分子动力学模拟。
Yildiz说:“我们的理论计算表明，与大块材料相比，杏耀注册这种独特的界面可以适应很大程度上不同的化学性质。”麻省理工学院的计算预测了移除一个中性氧原子以形成靠近界面或氧化铈层中间空位所需的能量。“特别是，我们发现在晶格结构没有恶化的情况下，界面上大量的氧离子被移除。”
Lee说:“的确，
杏耀挂机软件 ，这些关键的界面可以在纳米刷结构内部形成，使它们在许多技术应用中比传统薄膜更有前景。它们更大的表面积和更多的接口——每根鬃毛内可能有数千个接口——可能会成为未来技术的转折点，在这种技术中接口就是设备。”
