Az ELKH-hoz tartozó Energiatudományi kutatóközpont (EK) és Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) munkatársai a Nemes Incze Péter irányításával az EK-ban működő MTA-EK Topológia Nanoszerkezetekben Lendület Kutatócsoport vezetésével a kétdimenziós anyagokon kialakuló felületi szennyezőréteget alkotó molekulákat vizsgálták. A kutatók kimutatták, hogy ezeken az úgynevezett van der Waals-anyagokon (vdW) a felületi szennyezőrétegben univerzális módon, néhány nap alatt rendezett kristályos szerkezet alakul ki, mely folyamat hátterében a 20-26 szénatomból álló normál alkánok önszerveződése áll. A szennyezőréteget alkotó molekulák megfelelő ismerete számos területen fontos lehet, ugyanis ez a rendezett molekularéteg akár dominálhatja is a felület és a környezete közötti kölcsönhatást. Az eredményeket bemutató tanulmány a rangos Nature Communications szakfolyóiratban jelent meg.
Alacsony hőmérsékletű STM-felvétel a grafitfelületen önrendező alkán-monorétegről (fent), illetve a molekula-egyréteg szerkezetének szimulációja (lent)
A szabad levegővel érintkező anyagok felülete „koszos” lesz: különféle légköri szennyező anyagok ‒ víz, oxigén, szénhidrogének stb. ‒ tapadnak rá a felületre, amelyek rontják vagy akár teljesen elfedik az anyag fizikai-kémiai tulajdonságait. A mostani projektben a kutatók, Pálinkás András kiemelkedő hozzájárulásával alacsony hőmérsékletű (9 K, közel -264 °C) pásztázó alagútmikroszkópos (STM) mérésekkel megfigyelték a szennyezőréteget alkotó egyedi molekulákat, valamint azok méretét, belső szerkezetét és elrendeződését. Alagút- (STS), röntgen-fotoelektron- (XPS) és infravörös (IR) spektroszkópiai mérések alkalmazásával az önszerveződő egyréteget alkotó molekulák egyértelmű kémiai azonosítása is lehetővé vált. A 2D-s anyagokon lévő felületi szennyezőréteget alkotó molekulák ilyen szintű ismerete jelentős hatással lehet mind az alap-, mind az alkalmazott kutatás számos területére, ugyanis ez a rendezett molekularéteg akár dominálhatja is a felület és a környezete közötti kölcsönhatást.
Tervezett módon létrehozott súrlódási anizotrópia domének hBN-felületen. A kristály egy cikcakkirányú szélét kék pontozott vonal, az ennek megfelelő, három ekvivalens cikcakkirányú AFM-es pásztázás irányait rózsaszín nyíl jelzi.
Ennek demonstrálásaként a kutatók kimutatták, hogy a vdW-anyagokon ‒ grafén, grafit, hexagonális bór-nitrid (hBN), molibdén-diszulfid (MoS2) ‒ univerzálisan megfigyelhető, mindeddig vitatott hátterű anizotróp súrlódási domének kialakulásáért szintén egyértelműen az önszerveződő alkán-egyréteg felelős. Ezen súrlódási domének tervezett módon való átalakításának, „átrajzolásának” szemléltetésére az egyréteget alkotó hosszúkás molekulák hossztengelyét atomerő-mikroszkóp tűjével történő pásztázással választott irányba fordították.
Az önszerveződő alkán-egyréteg szerkezetének mélyebb megértését sűrűségfunkcionálelmélet-alapú (DFT) számítások tették lehetővé, levegőn való kialakulása dinamikájának megfigyelése ellipszometriai mérésekkel történt.