Nuevas estructuras de MoS2 multicapa para posibles aplicaciones tecnológicas

Abstract

In this work we present the results of studies on the stability of MoS2 structures commonly studied in the literature and of new structures proposed with the intention of being useful in separation processes such as nanofilters. Various analyzes were carried out on simple structures such as those formed by monolayers and bilayers where the stability of those systems was studied through the changes presented in the total energy of the systems as a function of the area of the layers, this allowed us to make predictions about the limit area that divides the macroscopic systems from the microscopic ones and establish the cohesiveness created by a bilayer in macroscopic systems. Analysis of the effect of temperature in monolayers allowed us to make predictions of the limit temperature for thermal stability of small MoS2 monolayers, which compare well with results reported in the literature. We found that the use of thermostats in Molecular Dynamics simulations produces artificial effects in the systems that can be avoided by combining simulations under temperature control with simulations at constant energy. Systems with multiple layers create very little additional stability to the structures, while the creation of pores in the monolayers also reduces the stability of these; these pores create annular monolayers which have a limit thickness of two concentric MoS2 rings, similar to what was found in experiments with nanowires of MoS2. Nanotubes made of small non-concentric and multiple layers of porous MoS2 are stable, although less stable than MoS2 bilayers, they contain internal pores suitable for applications such as nanofilters in separation processes since they can form internal walls with exposed molybdenum, very useful for adsorption of ions in desalination processes.

En este trabajo se presentan los resultados de estudios de la estabilidad de estructuras de MoS2 comúnmente estudiadas en la literatura y de estructuras nuevas propuestas con la intención de que sean útiles en procesos de separación como nanofiltros. Se llevaron a cabo diversos análisis en estructuras simples como aquellas formadas por monocapas y bicapas donde la estabilidad de dichos sistemas se estudió a través de los cambios que presenta la energía total de los sistemas como función del área de las capas, esto permite hacer predicciones acerca del área limite que divide a los sistemas macroscópicos de los microscópicos y establecer la cohesividad creada por una bicapa en sistemas macroscópicos. El análisis del efecto de la temperatura en monocapas permite hacer predicciones de la temperatura límite de estabilidad térmica de monocapas pequeñas de MoS2, las cuales se comparan bien con resultados reportados en la literatura. Se determinó que el uso de termostatos en simulaciones de Dinámica Molecular produce efectos artificiales en los sistemas de una monocapa que se pueden evitar combinando las simulaciones bajo control de temperatura con simulaciones a energía constante. Sistemas con capas múltiples crean muy poca estabilidad adicional a las estructuras, mientras que la creación de poros en las monocapas reduce también la estabilidad de estas; estos poros crean monocapas anulares las cuales tienen un espesor límite de dos anillos concéntricos de MoS2, similar a lo encontrado en experimentos con nanocables de MoS2. Nanotubos construidos de capas pequeñas no concéntricas y múltiples de MoS2 poroso son estables, aunque menos estables que bicapas de MoS2, contienen poros internos adecuados para aplicaciones como nanofiltros en procesos de separación ya que pueden formar paredes internas con molibdenos expuestos muy útiles para la adsorción de iones en procesos de desalinización.