ENG: Coordination nanosheets are one particularly interesting type of 2D material. The “coordination” refers to the effect of metallic ions in these molecules, which act as coordination centers. These centers can spontaneously create organized molecular dispositions that span multiple layers in 2D materials.

To synthesize the heterolayer coordination nanosheets, the team of scientists from Tokyo University of Science and The University of Tokyo in Japan first created the liquid-liquid interface to enable their assembly. They dissolved tris(terpyridine) ligand in dichloromethane (CH2Cl2), an organic liquid that does not mix with water. They then poured a solution of water and ferrous tetrafluoroborate, an iron-containing chemical, on top of the CH2Cl2. After 24 hours, the first layer of the coordination nanosheet, bis(terpyridine)iron (or “Fe-tpy”), formed at the interface between both liquids. Following this, they removed the iron-containing water and replaced it with cobalt-containing water. In the next few days, a bis(terpyridine)cobalt (or “Co-tpy”) layer formed right below the iron-containing one at the liquid-liquid interface.

The team made detailed observations of the heterolayer using various advanced techniques, such as scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, and scanning transmission electron microscopy. They found that the Co-tpy layer formed neatly below the Fe-tpy layer at the liquid-liquid interface. Moreover, they could control the thickness of the second layer depending on how long they left the synthesis process run its course. Interestingly, the team also found that the ordering of the layers could be swapped by simply changing the order of the synthesis steps.

Additionally, the team investigated the reduction-oxidation properties of their coordination nanosheets as well as their electrical rectification characteristics. They found that the heterolayers behaved much like a diode in a way that is consistent with the electronic energy levels of Co-tpy and Fe-tpy. These insights, coupled with the easy synthesis procedure developed by the team, could help in the design of heterolayer nanosheets made of other materials and tailored for specific electronics applications.

RO: Nanofoile de coordonare reprezintă un tip deosebit de interesant de material 2D. “Coordonarea” se referă la efectul ionilor metalici din aceste molecule, care acționează ca centre de coordonare. Acești centri pot crea în mod spontan dispoziții moleculare organizate care se întind pe mai multe straturi în materialele 2D.

Pentru a sintetiza heterostraturile de nanofoi de coordonare, echipa de oameni de știință de la Universitatea de Știință din Tokyo și de la Universitatea din Tokyo din Japonia a creat mai întâi interfața lichid-lichid pentru a permite asamblarea lor. Ei au dizolvat ligandul tris(terpiridină) în diclorometan (CH2Cl2), un lichid organic care nu se amestecă cu apa. Apoi au turnat o soluție de apă și tetrafluoroborat feros, un produs chimic care conține fier, peste CH2Cl2. După 24 de ore, la interfața dintre cele două lichide s-a format primul strat al nanofoii de coordonare, bis(terpiridină)fier (sau “Fe-tpy”). În continuare, au îndepărtat apa care conținea fier și au înlocuit-o cu apă care conținea cobalt. În următoarele câteva zile, un strat de bis(terpiridină)cobalt (sau “Co-tpy”) s-a format chiar sub cel care conținea fier la interfața lichid-lichid.

Echipa a făcut observații detaliate ale heterostratului folosind diverse tehnici avansate, cum ar fi microscopia electronică de scanare, spectroscopia fotoelectronică cu raze X, microscopia de forță atomică și microscopia electronică cu transmisie prin scanare. Ei au descoperit că stratul de Co-tpy s-a format perfect sub stratul de Fe-tpy la interfața lichid-lichid. Mai mult, aceștia au putut controla grosimea celui de-al doilea strat în funcție de cât timp au lăsat procesul de sinteză să se desfășoare. În mod interesant, echipa a constatat că ordinea straturilor poate fi schimbată prin simpla schimbare a ordinii etapelor de sinteză.

În plus, echipa a investigat proprietățile de reducere-oxidare ale nanofoilor de coordonare, precum și caracteristicile lor de rectificare electrică. Ei au descoperit că heterostraturile se comportă în mare măsură ca o diodă, într-un mod care este în concordanță cu nivelurile de energie electronică ale Co-tpy și Fe-tpy. Aceste informații, împreună cu procedura de sinteză ușoară dezvoltată de echipă, ar putea ajuta la proiectarea de nanofoi realizate din alte materiale și adaptate pentru aplicații electronice specifice.

Adapted and abridged from source (Tokyo University of Science, “At the Water’s Edge: Self-assembling 2D Materials at a Liquid-Liquid Interface”, 21.07.2022)

Paper: Komeda, J., Takada, K., Maeda, H., Fukui, N., Tsuji, T. and Nishihara, H., 2022. Chemically laminated 2D bis (terpyridine) metal polymer films: Formation mechanism at the liquid‐liquid interface and redox rectification. Chemistry–A European Journal.

ENG: The National Institute for Materials Science (NIMS) research team recently developed an ionic artificial vision device composed of an array of mixed conductor channels placed on a solid electrolyte at regular intervals. This device simulates the way in which human retinal neurons (i.e., photoreceptors, horizontal cells and bipolar cells) process visual signals by responding to input voltage pulses (equivalent to electrical signals from photoreceptors). This causes ions within the solid electrolyte (equivalent to a horizontal cell) to migrate across the mixed conductor channels, which then changes the output channel current (equivalent to a bipolar cell response). By employing such steps, the device, independent of software, was able to process input image signals and produce an output image with increased edge contrast between darker and lighter areas in a manner similar to the way in which the human visual system can increase edge contrast between different colors and shapes by means of visual lateral inhibition.

The human eye produces various optical illusions associated with tilt angle, size, color and movement, in addition to darkness/lightness, and this process is believed to play a crucial role in the visual identification of different objects. The ionic artificial vision device described here may potentially be used to reproduce these other types of optical illusions. The research team involved hopes to develop visual sensing systems capable of performing human retinal functions by integrating the subject device with other components, including photoreceptor circuits.

This project was carried out by a research team consisting of Tohru Tsuruoka (Chief Researcher, Nanoionic Devices Group (NDG), International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), NIMS), Xiang Wan (Postdoctoral Researcher, NDG, MANA, NIMS at the time of this project) and Kazuya Terabe (Group Leader, NDG, MANA, NIMS).

RO: Echipa de cercetare a National Institute for Materials Science (NIMS) a dezvoltat recent un dispozitiv de viziune artificială ionică, compus dintr-o serie de canale de conductoare mixte plasate pe un electrolit solid la intervale regulate. Acest dispozitiv simulează modul în care neuronii retinei umane (adică fotoreceptorii, celulele orizontale și celulele bipolare) procesează semnalele vizuale, răspunzând la impulsuri de tensiune de intrare (echivalente cu semnalele electrice de la fotoreceptori). Acest lucru face ca ionii din electrolitul solid (echivalent cu o celulă orizontală) să migreze prin canalele conductoarelor mixte, ceea ce modifică apoi curentul canalului de ieșire (echivalent cu răspunsul unei celule bipolare). Prin utilizarea unor astfel de pași, dispozitivul, independent de software, a fost capabil să proceseze semnalele de intrare ale imaginii și să producă o imagine de ieșire cu un contrast sporit al marginilor între zonele mai întunecate și cele mai deschise, într-un mod similar modului în care sistemul vizual uman poate crește contrastul marginilor între diferite culori și forme prin intermediul inhibiției laterale vizuale.

Ochiul uman produce diverse iluzii optice asociate cu unghiul de înclinare, dimensiunea, culoarea și mișcarea, pe lângă întuneric/luminozitate, și se consideră că acest proces joacă un rol crucial în identificarea vizuală a diferitelor obiecte. Dispozitivul de viziune artificială ionică descris aici poate fi utilizat potențial pentru a reproduce aceste alte tipuri de iluzii optice. Echipa de cercetare implicată speră să dezvolte sisteme de detecție vizuală capabile să îndeplinească funcțiile retinei umane prin integrarea dispozitivului în cauză cu alte componente, inclusiv circuite de fotoreceptori.

Acest proiect a fost realizat de o echipă de cercetare formată din Tohru Tsuruoka (cercetător șef, Nanoionic Devices Group (NDG), International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), NIMS), Xiang Wan (cercetător postdoctoral, NDG, MANA, NIMS la momentul realizării acestui proiect) și Kazuya Terabe (lider de grup, NDG, MANA, NIMS).

Source (NIMS, “Development of an Artificial Vision Device Capable of Mimicking Human Optical Illusions”, 11.10.2021)

Paper: Wan, X., Tsuruoka, T. and Terabe, K., 2021. Neuromorphic System for Edge Information Encoding: Emulating Retinal Center-Surround Antagonism by Li-Ion-Mediated Highly Interactive Devices. Nano Letters, 21(19), pp.7938-7945.