Materialevidenskab
2D Materialer, Som Graphen, Åbner Nye Grænser I Materialevvidenskab
En Tilfældig Opdagelse
De fleste fysiske genstande er lavet af 3D-materialer. Fast material er ofte lavet af enten organiserede atomer i forudbestemte 3D-strukturer, der danner metaller og krystaller, eller disorganiserede atomer, der danner andre ting.
I lang tid antog man, at dette var den eneste form, hvori stof kunne organiseres for at danne faste objekter. Men for 20 år siden (2004) opdagede to forskere ved University of Manchester, Andre Geim og Professor Kostya Novoselov, et 2D-materiale, grafen. De opdagede det næsten ved en tilfældighed, da de indså, at simple klæbende bånd anvendt på grafite (det, der gør blyanter spidse) skabte en mono-atomisk lag af carbon.
Dette ville senere indbringe dem Nobelprisen i fysik i 2010.
Grafen består af carbon-atomer, men i stedet for at være i en disorganiseret form (grafit) eller en organiseret krystal (diamanter), er carbon-atomerne i grafen aligneret i en mono-atomisk lag, som en ultra-tynd papirark. De opdagede også, at det er muligt at danne 1 eller 0-dimensionale materialer, som nanorør eller kvante-punkter.
Kilde: Ossila
Det, der gør 2D-materialer særlige, er, at denne unikke konfiguration kommer med unikke fysiske egenskaber.
For eksempel er grafen ekstremt ledende, med elektroner, der kan cirkulere i den med 1/300-del af lysets hastighed. Det er også en meget god varmeleder og har den højeste trækstyrke af noget materiale, selvom det er optisk gennemsigtigt og kun absorberer 2% af den synlige lys.
Kilde: Visual Capitalist
Meget Mere End Grafen
Grafens unikke egenskaber gjorde det straks til fokus for tusindvis af forskere, der var ivrige efter at afsløre dets unikke elektriske, kemiske og fysiske egenskaber.
Men andre begyndte at undre sig over, om andre grundstoffer end carbon kunne danne 2D-materialer. Svaret var ja, med teoretiske forudsigelser, der lovede hundredvis af forskellige potentielle 2D-materialer. Blandt de vigtigste og mest studerede 2D-materialer ud over grafen kan nævnes:
- Borofen, lavet af bor-atomer, opdaget i 2015.
- Goldene, lavet af guld-atomer, produceret for første gang i 2024.
- Silicen, lavet af silicium-atomer.
- Phosphoren, lavet af fosfor-atomer.
Det ser også ud til, at 2D-materialer ikke behøver at bestå af kun ét rent grundstof – for eksempel kan monolag af molybdæn-disulfid (MoS2) eller silicium-nitrid (Si3N4) dannes.
Andre atomer kan også være knyttet til monolaget, hvilket skaber en “rugget” overflade, som når man tilføjer hydrogen til carbon-atomerne i grafen for at danne graphan.
By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Fordi der er så stor diversitet af materialer, er forskerne kun begyndt at afsløre potentialet for 2D-materialer.
Anvendelser – Grundlæggende Aspekter
Generelt er det, der gør 2D-materialer unikke, at deres meget organiserede atomstruktur tillader en unik konfiguration af deres elektroner og den tætte binding mellem atomerne.
Dette forklarer igen de exceptionelle elektriske ledningsegenskaber (elektronernes cirkulation), varmeledningsegenskaber (energi-overførsel mellem atomer) og fysiske styrke (kovalente bindinger mellem atomer på grund af elektron-udveksling).
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
Fordi elektroner kan cirkulere næsten helt frit på overfladen af 2D-materialer, er de blevet betragtet som gode kandidater til superledning.
Superledning er, hvad der sker, når et materiale kan lede elektricitet uden nogen modstand.
Dette betyder ikke kun, at der ikke er nogen energitab, hvilket kunne være meget nyttigt til at transportere strøm over lange afstande, men det betyder også, at en strøm, der passerer gennem materialet, ikke genererer nogen varme. Dette kan gøre det ekstremt nyttigt til alle mulige anvendelser, fra computere til el-biler og næsten alle teknologier, der bruger elektricitet.
I teorien kunne superledning, især rumtemperatur-superledning, tillade at mestre kernefusion, propel skibe med elektricitet, billige og ultra-hurtige maglev-tog, masse-drev til at nå kredsløb på en meget lav omkostning osv. (Vi udforskede dette spørgsmål om rumtemperatur-superledere i vores dedikerede artikel).
Mange 2D-materialer kan vise superledning under de rette betingelser (f.eks. temperatur, tryk osv.), herunder:
- Elementære metal-tynde film.
- Kuprater.
- Perovskit-oxider.
- Sjældne jord-metalliske tung-fermion-forbindelser.
- Grafen.
- Jern-selenid på oxid-overflader.
- Organiske ledere på metal-overflader.
Halvledere
Halvledere er materialer, der kan vælge at skifte fra en ledende tilstand (der overfører elektroner) til en isolerende tilstand (der blokerer elektroner). Dette er den grundlæggende princip, omkring hvilken silicium-transistorer og andre beregnings-elementer er bygget, med 0 som ingen elektrisk strøm og 1 som tilstedeværelse af strøm.
Jo hurtigere en halvleder kan skifte tilstand, jo hurtigere kan den tilknyttede beregning udføres.
Grafen
Til at begynde med troede forskere, der studerede grafen, at det kunne erstatte silicium i halvledere. Desværre mangler det en vigtig elektronisk funktion kaldet en “båndgap”.
Et båndgap er, hvad der bestemmer, om et materiale vil blive betragtet som en 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 ikke har noget båndgap overhovedet, hvilket forhindrer dets brug som halvleder.
Dette var sandt indtil 2024, da forskere annoncerede, at de havde kunnet skabe verdens første halvleder lavet af grafen.
“Vi har nu en ekstremt robust grafen-halvleder med ti gange den mobilitet af silicium, og som også har unikke egenskaber, der ikke er tilgængelige i silicium.
“Vi måtte lære, hvordan vi skulle behandle materialet, hvordan vi kunne gøre det bedre og bedre, og til sidst, hvordan vi kunne måle dets egenskaber. Det tog en meget, meget lang tid.”
Goldene
Et andet 2D-materiale af interesse er goldene, essentiel grafen, men med guld i stedet for carbon-atomer.
Guld bruges allerede til computer-chips og computer-komponenter takket være dets ekstraordinære egenskaber, som modstand over for oxidation og meget høj elektrisk ledning.
Med produktionen i 2024 af den første goldene-monolag, kan halvleder-egenskaber måske tilføjes listen.
“Hvis du laver 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 er ét atom tykt, kan guld blive en halvleder i stedet.”
Organiske Halvledere
Organiske molekyler består af en skelet af carbon, sammen med andre grundstoffer, som ofte oxygen, nitrogen, svovl osv.
Kilde: POSTECH
De brugte derefter et trin kaldet p-type doping, som ofte bruges i produktionen af halvledere.
Dette refererer til tilføjelse af grundstoffer til et halvleder-materiale for at gøre det endnu mere ledende.
Kilde: Wikipedia
Det resulterende materiale er blevet beskrevet af forskerne som havende “enestående elektrisk ledning”.
Så selv hvis materialer som grafen er for svære at producere i masse i en halvleder-konfiguration, eller goldene er for dyrt, vil organiske halvledere sandsynligvis være der for at tillade anvendelsen af 2D-halvledere i den nærmeste fremtid.
Super-Materialer
Mens elektriske egenskaber er kernen af videnskabens interesse i 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 pansret beton, og skabe et beton 2,5 gange stærkere og 4 gange mindre vandgennemtrængeligt. Derudover rustner grafen ikke som stål, hvilket gør grafen-forstærket beton ikke sårbart over for “beton-råd” forårsaget af jern-oxidation, som alvorligt begrænser levetiden for beton-strukturer.
Den ekstreme modstand + let vægt af grafen og andre 2D-materialer kunne også bruges til at skabe bedre krops-panser.
En anden anvendelsesområde kan være termisk ledelse. For eksempel fandt forskere for nylig ud af, at man kan fremstille et materiale, der er både isolerende og stift (en sjælden kombination) ved at skabe 2D-hybrid organisk-inorganisk perovskit.
2D-materialer som grafen og hexagonal boron-nitrid kunne også bruges til at aflede varme i elektroniske og optoelektroniske enheder.
Til sidst kunne avancerede ultra-resistente 2D-materialer bruges til at opnå fremtidige infrastrukturer, som for eksempel rum-elevatore. Men sådanne skridt vil kun være realistiske, når vi har fundet ud af, hvordan vi kan producere disse materialer økonomisk, ikke kun på gram eller kilo, men på millioner af tons.
Biotech
Meget høj overflade-niveau, ekstremt tynd lag og unikke kemiske egenskaber gør 2D-materialer til gode kandidater til mange niche-anvendelser i medicin- og biotek-industrien.
Dette inkluderer stof-transport, billede-dannelse, væv-ingeniør-arbejde, biosensorer og gassensorer.
En anden faktor i opblomstringen af 2D-materialer i biologiske anvendelser er de nyeste opdagelser, der tillader dem at give dem en egenskab kaldet “kiralitet”.
Kiralitet er en kemisk term, der betyder, at molekyler har en venstre/højre-symmetri. Kiralitet er en vigtig egenskab hos organiske molekyler, for eksempel de aminosyrer, der er byggestenene for proteiner.
Kilde: UC Santa Barbara
I molekyler kan kiralitet gøre biologiske eller kemiske enheder eksistere i to versioner, der ikke kan matche hinanden fuldstændigt, som i en venstre og højre handske. De kan spejle hinanden præcist, men en venstre handske vil aldrig passe den højre hånd så godt, som den passer den venstre hånd.
Pr. Dipanjan Pan
For nylig fandt forskere ud af, at de kunne syntetisere borofen-plader, lignende hvordan fragmenter af borofen ville gå ind i blodbanen. De fandt ud af, at de kirale egenskaber af de forskellige versioner af borofen interagerede forskelligt med cellernes membraner og gik ind i cellerne på forskellig vis.
Dette åbner vejen for at designe brugbare borofen-strukturer til anvendelser som udvikling af højopløsnings-medical-billede-teknik med kontrast, der kunne præcist spore celle-interaktioner eller bedre stof-transport med præcise materiale-celle-interaktioner.
En bedre forståelse af, hvordan borofen-strukturer interagerer med levende celler, vil også hjælpe med at klargøre dets sikkerhedsprofil.
Selv om borofens sundhedsprofil stadig er under evaluering, ser det ud til, at grafen kan inhaleres sikkert uden nogen akut risiko for menneskers sundhed. Disse resultater er stadig meget præliminære, men sandsynligvis indikerer, at den hurtige udbredelse af 2D-materialer ikke skal resultere i offentlige sundhedsproblemer.
Og jo mere biokompatible de er, desto mere sandsynligt kan de bruges til at udvikle biologiske sensorer eller drive nanoroboter i vores blodbaner.
Begrænsninger
Produktion I Stort Størrelsesforhold
Selv den mest etablerede og første opdagede 2D-materiale, grafen, er stadig meget meget laboratorie- og startup-domæne.
Dette skyldes, at produktion i stort størrelsesforhold stadig er en svær proposition. At lave små mængder er næsten let, men at producere massive mængder på en semi-automatiseret måde er ikke.
Klæbende bånd pålagt et stykke grafite var nok til at opdage grafen. Men mere komplekse metoder som kemisk damp-aflejring (CVD) er nødvendige for masseproduktion.
Dette er langsomt blevet mere af en realitet, med for eksempel offentliggørelsen af en proces til ilt-fri CVD, der producerer højren grafen.
Klistre Det
Et andet problem med 2D-materialer er, at de på grund af deres tyndhed og unikke kemiske egenskaber kan være svære at klistre på andre materialer.
Det kræver ofte specialteknikker for at få et lag af grafen til at klæbe på computer-chips, en strømforsyning eller en medicinsk enhed.
Dette kan være langt mere tidskrævende og ressource-intensivt end mindre effektive, men lettere at implementere alternativer.
Omkkostninger
Fordi produktionsmetoder og anvendelser på eksisterende enheder for nuværende er små eller specialtilpassede, er 2D-materialer stadig ret dyre.
Den faktiske pris kan variere meget afhængigt af renheden, med for eksempel grafen, der varierer mellem 20-2.000/kg.
Dette betyder, at selv til den billigste pris er grafen 20 gange dyrere end stål. Derudover kræver det sandsynligvis mere end den laveste mulige renhed for at opnå acceptabelt niveau i forhold til at erstatte stål.
2D-Materiale Virksomheder
Området for 2D-materialer udvikler sig meget hurtigt, med nye muligheder som goldene, der bliver opdaget jævnligt, og nye indsigt i, hvordan man kan optimere “gamle” materialer som at gøre grafen til en halvleder.
Disse produkter vil sandsynligvis kun blive en stor økonomisk sektor, når de produceres i stort størrelsesforhold ved hjælp af industrielle metoder.
Så langt er den mest avancerede og velkendte metode CVD, hvilket giver en betydelig fordel til CVD-specialister til at kapre en stor del af værdien af 2D-materiale-produktion.
1. Veeco
(VECO )
Veeco har været en stor leverandør af udstyr til halvleder-produktionen siden sin grundlæggelse i 1945. Deres maskiner bruges til at producere avanceret EUV-chip-fremstilling, 5G-antenne, harddiske, LIDAR, LED, kraft-elektronik til el-biler osv.
Kilde: Veeco
Virksomhedens hovedteknologiske fokus er den samme CVD-proces, der bruges til borofen-produktion, eller mere præcist, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).
Kilde: Veeco
Som en leder i denne niche-sektor af halvleder-industrien kan Veeco være en god kandidat til at satse på væksten af flere CVD-anvendelser.
En sådan vækst kan stamme fra den voksende brug af grafen, wolfram og borofen, da vi langsomt bliver bedre til at manipulere stof på atom-niveau.
Det vil sandsynligvis også gavn af de massive tendenser til digitalisering, AI og elektrificering, uanset om det massive brug af 2D-materialer sker snart eller ej.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG er en grafen-producent, der har fokuseret sin produkt-tilbud på allerede demonstrerede grafen-baserede produkter som varme-belægning og smøremiddel.
Dette gør GMG til en god mulighed for investorer, der søger direkte eksponering mod grafen-markedet og en virksomhed, der allerede er aktiv i masse-produktion af grafen og forbedring af den nuværende produktionsmetode.
Kilde: GMG
Nogle yderligere anvendelser kan være skabelsen af grafen-halvledere (se ” Grafen-halvledere – Er de endelig her?“), eller endda rumtemperatur-superledere. Grafen-belægning kan også finde anvendelse i batterier og til hydrogen-tryk-kar-teknologi.
Kilde: GMG
GMG producerer sin grafen fra metan + hydrogen, hvilket adskiller sig fra de fleste af deres konkurrenter, der producerer det fra grafite-natur-depositorer. Dette tillader en højere renhed, bedre skalerbarhed og lavomkostnings-produktion.
Virksomheden lancerede sin første produktionsfacilitet i Australien i 2023, med op til 1 million liter varme-belægnings-produktion om året.
Næste skridt for virksomheden vil være dens batteri-teknologi baseret på grafen-aluminium-ion, med en tæthed på 290 Wh/kg, 60 gange hurtigere opladning end lithium-ion-batterier, 3 gange længere batteri-liv og et bedre brand-fare-profil.
Kilde: GMG
Dette indtræden i batteri-markedet kan være et stort spil for GMG, men giver også en unik perspektiv på den fremtidige marked, der kan åbne sig for grafen, herunder i el-biler og andre kraft-relaterede anvendelser.
