Materialevidenskab
2D-materialer, som grafen, åbner nye grænser inden for materialvidenskab
En utilsigtet opdagelse
De fleste fysiske genstande er lavet af 3D-materialer. Solide materialer er ofte sammensat af enten organiserede atomer i forudbestemte 3D‑strukturer, der danner metaller og krystaller, eller uorganiserede atomer, der danner andre ting.
I lang tid blev dette antaget som den eneste form, hvorpå stof kunne organiseres for at danne solide objekter. Men for 20 år siden (2004) to forskere ved University of Manchester, Andre Geim og professor Kostya Novoselov opdagede et 2D‑materiale, grafen. De opdagede det næsten ved et uheld, da de indså, at simpel scotch‑tape på grafit (det der udgør blyantspidser) skabte et mono‑atomisk lag af kulstof.
Dette ville senere give dem Nobelprisen i fysik i 2010.
Grafen består af kulstofatomer, men i stedet for at være i en uorganiseret form (grafit) eller en organiseret krystal (diamant), er kulstofatomerne i grafen justeret i et mono‑atomisk lag, som et ultratyndt papirlager. De opdagede også, at det endda er muligt at danne 1‑ eller nul‑dimensionelle materialer, såsom nanotråder eller kvante‑dotter.
Kilde: Ossila
Det, der gør 2D-materialer specielle, er, at denne unikke konfiguration medfører unikke fysiske egenskaber.
For eksempel er grafen ekstremt ledende, med elektroner der kan cirkulere i den med 1/300‑del af lysets hastighed. Den er også en meget god varmeleder og har den højeste trækstyrke af alle materialer, på trods af at den er optisk gennemsigtig og kun absorberer 2 % af indkommende synligt lys.
Kilde: Visual Capitalist
Meget mere end grafen
Grafens unikke egenskaber gjorde den straks til fokus for tusindvis af forskere, der var ivrige efter at afdække dens særlige elektriske, kemiske og fysiske egenskaber.
Men andre begyndte at spekulere på, om andre grundstoffer end kulstof også kunne danne 2D-materialer. Svaret var ja, med teoretiske forudsigelser, der lover hundredvis af potentielle 2D-materialer. Blandt de vigtigste og mest undersøgte 2D-materialer udover grafen kan vi nævne nogle få:
- Borophene, lavet af boratomer, opdaget først i 2015.
- Goldene, lavet af guld‑atomer, produceret første gang i 2024.
- Silicene, lavet af siliciumatomer.
- Phosphorene, lavet af fosforatomer.
Det ser også ud til, at 2D-materialer ikke behøver kun at bestå af ét rent grundstof – for eksempel monolag af molybdendisulfid (MoS2) eller siliciumnitrat (Si3N4).
Andre atomer kan også bindes til monolaget og skabe en “ru” overflade, som når man tilsætter hydrogen til kulstofatomerne i grafen for at danne graphane.
Af Edgar181 (talk) – Eget arbejde, Offentligt domæne, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
På grund af denne ekstreme materialemangfoldighed er forskerne kun begyndt at afdække potentialet i 2D-materialer.
Anvendelser – Grundlæggende aspekter
Generelt er det, der gør 2D-materialer unikke, deres meget organiserede atomstruktur, som muliggør en særpræget konfiguration af deres elektroner og den tætte binding mellem atomerne.
Dette forklarer igen den exceptionelle elektriske ledningsevne (elektronernes strøm), varmeledning (overførsel af energiniveauer mellem atomer) og fysiske styrke (kovalente bindinger mellem atomer på grund af udveksling af elektroner).
2D‑strukturen giver også disse materialer den højeste specifikke overfladeareal (overflade hvor interaktioner er mulige) af alle kendte materialer. Dette gør dem til fremragende kandidater til nye former for katalysatorer eller generelt til at deltage i kemiske og elektriske reaktioner.
Superledere
Da elektroner næsten frit kan flyde på overfladen af 2D-materialer, betragtes de som gode kandidater til superledning.
Superledning er, hvad der sker, når et materiale kan lede elektricitet uden nogen modstand.
Det betyder, at der ikke kun er tab af energi, hvilket kan være meget nyttigt til at transportere strøm over lange afstande, men også at en strøm, der passerer gennem materialet, ikke genererer varme. Dette kan gøre det utroligt anvendeligt i alle mulige anvendelser, fra databehandling til el‑biler og stort set enhver teknologi, der bruger elektricitet.
I teorien kunne superledning, især rumtemperatur‑superledning, muliggøre mestring af kernereaktion, fremdrift af skibe med elektricitet, billige & ultrahurtige magnetiske levitations‑tog, masse‑drivere til at nå kredsløb til meget lave omkostninger osv. (Vi udforskede i detaljer spørgsmålet om rumtemperatur‑superledere i vores dedikerede artikel).
Plenty of 2D materials might display superconductivity in the right conditions (e.g., temperature, pressure, etc.,) including:
- Elementære metal ultratynde film.
- Cuprater.
- Perovskit‑oxider.
- Sjældne jordarts‑metal tunge‑fermion‑forbindelser.
- Grafen.
- Jern‑selenid på oxidoverflader.
- Organiske ledere på metaloverflader.
Halvledere
Halvledere er materialer, der kan skifte selektivt fra en ledende tilstand (som overfører elektroner) til en isolerende tilstand (som blokerer elektroner). Dette er det grundlæggende princip, som silicium‑transistorer og andre beregningselementer er bygget på, med 0 som ingen elektrisk strøm og 1 som tilstedeværelsen af strøm.
Jo hurtigere en halvleder kan skifte tilstand, desto hurtigere kan den tilknyttede beregning være.
Grafen
I starten troede forskere, der studerede grafen, at den kunne erstatte silicium i halvledere. Desværre mangler den en vigtig elektronisk egenskab kaldet et “båndgab”.
Et båndgab er det, der bestemmer, om et materiale betragtes som et metal (leder elektricitet), en isolator (blokerer elektricitet) eller en halvleder (der kan skifte mellem at være ledende og isolerende).
Kilde: Energy Education
Problemet er, at grafen overhovedet ikke har noget båndgab, hvilket forhindrer dens brug som halvleder.
Dette var sandt indtil 2024, hvor forskere annoncerede, at de havde formået at skabe verdens første halvleder lavet af grafen.
“Vi har nu en ekstremt robust grafen‑halvleder med ti gange mobiliteten af silicium, og som også har unikke egenskaber, som ikke findes i silicium.
“Vi måtte lære, hvordan man behandler materialet, hvordan man gør det bedre og bedre, og endelig, hvordan man måler egenskaberne. Det tog meget, meget lang tid.”
Goldene
Et andet interessant 2D-materiale er goldene, i bund og grund grafen men med guld, der erstatter kulstofatomerne.
Guld er allerede almindeligt brugt i chips og computerkomponenter takket være sine ekstraordinære egenskaber, såsom modstand mod oxidation og meget høj elektrisk ledningsevne.
Med produktionen i 2024 af det første goldene‑monolag kan halvlederegenskaber blive tilføjet til listen.
“Hvis du gør et materiale ekstremt tyndt, sker der noget ekstraordinært – som med grafen. Det samme sker med guld. Som du ved, er guld normalt et metal, men hvis et lag kun er et enkelt atom tykt, kan guld i stedet blive en halvleder.”
Organiske halvledere
Organiske molekyler er bygget på et skelet af kulstof, sammen med andre grundstoffer, typisk oxygen, nitrogen, svovl osv.
Kilde: POSTECH
De brugte derefter et trin kaldet p‑type doping, som almindeligt anvendes i produktionen af halvledere.
Dette refererer til at tilføre elementer til et halvledermateriale for at gøre det endnu mere ledende.
Kilde: Wikipedia by VectorVoyager
Det resulterende materiale er blevet beskrevet af forskerne som at have “enestående elektrisk ledningsevne”.
Så selvom materialer som grafen på en eller anden måde er for svære at masseproducere i en halvlederkonfiguration, eller goldene er for dyrt, vil organiske halvledere sandsynligvis være til stede for at muliggøre adoptionen af 2D‑halvledere i den nærmeste fremtid.
Supermaterialer
Mens de elektriske egenskaber er kernen i forskernes interesse for 2D-materialer, er deres fysiske egenskaber lige så imponerende.
For eksempel er grafen 200‑gange stærkere end stål for en tilsvarende masse. Grafen kunne integreres i beton, på samme måde som stål i armeret beton, og skabe en beton, der er 2,5‑gange stærkere og 4‑gange mindre vandgennemtrængelig. Derudover ruster grafen ikke som stål, hvilket gør grafen‑forstærket beton uvulnerabel over for “betonrot” forårsaget af jernoxidation, som alvorligt begrænser levetiden for betonstrukturer.
Den ekstreme modstand + letvægt af grafen og andre 2‑materialer kunne også bruges til at skabe bedre kropsrustning.
Et andet anvendelsesområde kan være varmehåndtering. For eksempel har forskere for nylig fundet, at man kan fremstille et materiale, der både er isolerende og stift (en sjælden kombination) ved at skabe 2D‑hybride organisk‑inorganiske perovskitter.
2D-materialer som grafen og hexagonal boron‑nitrat kan også bruges til at aflede varme i elektroniske og optoelektroniske enheder.
Endelig kunne avancerede ultra‑modstandsdygtige 2D-materialer bruges til at realisere futuristisk infrastruktur, som for eksempel rum‑elevatorer. Sådanne skridt vil dog kun blive realistiske, når vi har fundet ud af, hvordan man økonomisk producerer disse materialer ikke i gram eller kilo, men i millioner af tons.
Biotek
Meget højt overfladeniveau, ekstremt tyndt lag og unikke kemiske egenskaber gør 2D-materialer til gode kandidater til mange niche‑applikationer inden for medicin og biotekindustri.
Dette omfatter lægemiddellevering, billeddannelse, vævsteknologi, biosensorer og gassensorer.
En anden faktor i fremkomsten af 2D-materialer i biologiske anvendelser er de nylige opdagelser, der gør det muligt at give dem en egenskab kaldet kiralitet.
Kiralitet er et kemisk begreb, der betyder, at molekyler har en venstre/højre symmetri. Kiralitet er en vigtig egenskab ved organiske molekyler, for eksempel aminosyrerne, som er byggestenene i proteiner.
Kilde: UC Santa Barbara
I molekyler kan kiralitet få biologiske eller kemiske enheder til at eksistere i to versioner, som ikke kan matches perfekt, som i en venstre og højre handske. De kan spejle hinanden præcist, men en venstre handske vil aldrig passe lige så godt på højre hånd som på venstre hånd.
Pr. Dipanjan Pan
For nylig syntetiserede forskere borofenenplader, svarende til hvordan fragmenter af borofen ville gå ind i blodbanen. De opdagede, at de kirale egenskaber af de forskellige versioner af borofen interagerede forskelligt med cellernes membraner og trængte ind i cellerne på forskellige måder.
Dette åbner vejen for at designe skræddersyede borofen‑strukturer til anvendelser som “udvikling af højere‑opløsnings‑medicinsk billeddannelse med kontrast, der præcist kan spore celleinteraktioner eller bedre lægemiddellevering med præcise materiale‑celle‑interaktioner.”
En bedre forståelse af, hvordan borofen‑strukturen interagerer med levende celler, vil også hjælpe med at afklare dens sikkerhedsprofil.
Mens borofenens sundhedsprofil stadig evalueres, ser det ud til, at grafen endda kan indåndes sikkert uden nogen akut risiko for menneskers sundhed. Disse resultater er stadig meget foreløbige, men indikerer sandsynligvis, at den hurtige udbredelse af 2D-materialer ikke bør medføre folkesundhedsproblemer.
Og jo mere biokompatible de er, desto mere sandsynligt er det, at de kan bruges til at udvikle biologiske sensorer eller drive nanorobotter i vores blodbaner.
Begrænsninger
Fremstilling i stor skala
Selv det mest etablerede og først opdagede 2D-materiale, grafen, er stadig i høj grad domænet for laboratorier og startups.
Dette skyldes, at produktion i stor skala stadig er en vanskelig opgave. At fremstille små mængder er forholdsvis let, men at producere massive mængder på en semi‑automatiseret måde er ikke.
Scotch‑tape på et stykke grafit var nok til at opdage grafen. Men meget mere komplekse metoder som Chemical Vapor Deposition (CVD) er nødvendige for masseproduktion.
Dette bliver langsomt mere en realitet, med for eksempel publiceringen af en proces for ilt‑fri CVD, der producerer grafen med høj renhed.
Limning
Et andet problem med 2D-materialer er, at de på grund af deres ekstremt tynde og kemisk unikke natur kan være svære at lime på andre materialer.
Det kræver ofte specialiserede teknikker for at få et lag grafen til at hæfte på computerchips, en strømforsyning eller en medicinsk enhed.
Dette kan være meget mere tidskrævende og ressourcekrævende end mindre effektive, men lettere at implementere alternativer.
Omkostninger
Fordi de fleste produktionsmetoder og anvendelser på eksisterende enheder i øjeblikket primært er småskala eller skræddersyede, har 2D-materialer forblevet ret dyre.
Den faktiske pris kan variere meget afhængigt af renhed, med for eksempel grafen i intervallet $20‑2.000/kg.
Det betyder, at selv til den billigste pris er grafen stadig 20‑gange dyrere end stål. Derudover kræver opnåelse af acceptabel ydeevne ved erstatning af nævnte stål sandsynligvis mere end den lavest mulige renhed.
2D-materialevirksomheder
Feltet for 2D-materialer udvikler sig meget hurtigt, med nye muligheder som goldene, der regelmæssigt opdages, og nye indsigter i, hvordan man optimerer “gamle” materialer som at omdanne grafen til en halvleder.
Disse produkter vil sandsynligvis kun blive en stor økonomisk sektor, når de produceres i stor skala ved brug af industrielle metoder.
Indtil videre er den mest avancerede og veldokumenterede metode CVD, hvilket giver en betydelig fordel til CVD‑specialister i at indfange en stor del af værdien i 2D-materialeproduktion.
1. Veeco
(VECO )
Veeco har været en stor leverandør af udstyr til halvlederproduktionsindustrien siden grundlæggelsen i 1945. Dets maskiner bruges til fremstilling af avanceret EUV‑chipproduktion, 5G‑antenner, harddiske, LIDAR, LED‑lys, strøm‑elektronik til el‑biler osv.
Kilde: Veeco
Virksomhedens primære teknologiske fokus er den samme CVD‑proces, der bruges til borofeenproduktion, eller mere præcist MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).
Kilde: Veeco
Som leder inden for dette niche‑segment af halvlederindustrien kunne Veeco være en god kandidat til at satse på stigningen i flere CVD‑applikationer.
En sådan vækst kan stamme fra den stigende brug af grafen, wolfram og borofeen, efterhånden som vi gradvist bliver bedre til at manipulere stof på atomart niveau.
Den vil sandsynligvis også drage fordel af de massive tendenser inden for digitalisering, AI og elektrificering, uanset om den i stor grad bruger 2D-materialer snart eller ej.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG er en grafenproducent, der har fokuseret sit produktsortiment på allerede demonstrerede grafen‑baserede produkter som varmebelægning og smøremidler.
Dette gør GMG til et godt valg for investorer, der søger direkte eksponering mod grafenmarkedet og et firma, der allerede er aktivt i masseproduktion af grafen og forbedring af den nuværende produktionsmetode.
Kilde: GMG
Nogle yderligere anvendelser kunne være fremstilling af grafen‑halvledere (se “Grafen‑halvledere – Er de endelig her?”), eller endda rumtemperatur‑superledere. Grafen‑belægning kunne også finde anvendelse i batterier og til brint‑trykbeholder‑teknologier.
Kilde: GMG
GMG producerer sin grafen fra metan + hydrogen, hvilket adskiller sig fra de fleste af dets konkurrenter, der producerer den fra naturlige grafitforekomster. Dette muliggør højere renhed, større skalerbarhed og lavprisproduktion.
Virksomheden lancerede sin første produktionsfacilitet i Australien i 2023 med op til 1 million liter varmeveksler‑belægningsproduktion om året.
Det næste skridt for virksomheden vil være dens batteriteknologi baseret på grafen‑aluminium‑ion, med en energitæthed på 290 Wh/kg, 60‑gange hurtigere opladning end lithium‑ion‑batterier, 3‑gange længere batterilevetid og en bedre brandrisikoprofil.
Kilde: GMG
Dette indtog i batterimarkedet kan være en stor satsning for GMG, men giver også virksomheden et unikt perspektiv på det fremtidige marked, som kan åbne for grafen, herunder i el‑biler og andre strømrelaterede anvendelser.
