Fra Graphene til Goldene: Avancerede enkelt‑atomlagmaterialer åbner nye døre for fremtidige opdagelser

Ingen af os har nogen tvivl om guldets værdi i vores sind. Trods alt er det den mest populære og længst eksisterende værdilagring. Men de videnskabelige fremskridt, som menneskeheden har opnået, har nu bragt os til dørtærsklen af Goldene. Og det kan i det mindste siges at være en game‑changer. Men hvad er Goldene? Hvorfor er det videnskabelige samfund så begejstret for det? Lad os dykke dybere.

Goldene: Guldplader, der kun er en enkelt atomlag tykke

For første gang, researchers from Linköping University, Sverige, har skabt guldplader, hvis tykkelse svarer til et enkelt atomlag. Forskerne har navngivet denne afledning Goldene. Goldene kan være nyttig til en række avancerede opgaver, herunder omdannelse af kuldioxid, produktion af brint og fremstilling af værdiskabende kemikalier. 

Ifølge Shun Kashiwaya, en forsker i Materials Design Division på universitetet:

“Hvis du gør et materiale ekstremt tyndt, sker der noget ekstraordinært – som med graphene. Det samme sker med guld. Som du ved, er guld normalt et metal, men hvis det kun er et enkelt atomlag tykt, kan guld blive en halvleder i stedet.”

Hvordan blev ‘Goldene’ skabt?

Opfindelsen startede med udviklingen af et tredimensionelt grundmateriale, der blev skabt ved at indlejre guld mellem lag af titanium og carbon. Ved høje temperaturer blev det tyndt lagdelte silicium i Titanium Siliciumkarbid erstattet af guld, hvilket førte til opdagelsen af Titanium Guldkarbid. Det var dog en tilfældig opdagelse. Forskerne havde til formål at belægge den elektrisk ledende titanium silikiumkarbid med guld, så den kunne danne kontakt.

For at udføre deres arbejde udnyttede forskerne en traditionel metode, der har eksisteret som en del af japansk smedekunst i mere end hundrede år. Komponenten kaldes Murakamis reagens. Forskerne brugte den i forskellige koncentrationer og i forskellige tidsintervaller for til sidst at nå komponenten. 

Selvom de endelig kunne producere guldpladerne i den ønskede tykkelse på et enkelt atom, var det afgørende at gøre dem stabile. De brugte et tensid, et langt molekyle til at adskille og stabilisere pladerne, som et overfladeaktivt middel for at sikre, at pladerne ikke krøller sammen. 

Mens han beskrev det endelige resultat og dets videnskabelige validering, havde Shun Kashiwaya, en af forskerne, følgende at sige:

“Guldpladerne er i en opløsning, lidt ligesom cornflakes i mælk. Ved at bruge en slags “sigt” kan vi indsamle guld og undersøge det med et elektronstrålemikroskop for at bekræfte, at vi har lykkedes. Hvilket vi har.”

De mange potentielle anvendelser af Goldene

Goldenes potentielle anvendelser spænder over en bred vifte af felter, herunder omdannelse af kuldioxid, brintgenererende katalyse, selektiv produktion af værdiskabende kemikalier, brintproduktion, vandrensning, kommunikation og meget mere.

I den efterfølgende opfølgning planlægger forskerne at undersøge muligheden for at reducere mængden af guld, der anvendes i disse anvendelser, og erstatte guld med andre ædelmetaller. Disse nye forbindelser kan have mange flere nye anvendelser. 

Selvom Goldene lover at åbne mange nye døre inden for sine videnskabelige og teknologiske anvendelser, er det videnskabelige samfunds fascination af enkelt‑atomlagmaterialer ikke ny. 

Det gådefulde tilfælde af enkelt‑atomlagmaterialer: Graphene og mere

Når vi taler om enkelt‑atomlagmaterialer, diskuterer vi nødvendigvis Graphene. Det er populært på grund af dets potentiale. Udvundet fra grafit, kulstofs krystallinske form, er Graphene let, elastisk og robust. Ud over sin tyndhed har det høj modstand, 200 gange mere end stål. Alligevel er det fem gange lettere end aluminium. Det har også evnen til at absorbere lys samt høj elektrisk og termisk ledningsevne.  

Graphene er i dag mere i diskussion på grund af et gennembrud, der for nylig blev opnået, hvor forskere med succes demonstrerede den første funktionelle graphene‑halvlederfirst functional graphene semiconductor. Denne opdagelse kan føre til dramatiske ændringer i computer- og elektronikverdenen. 

Selvom graphene kan være det mest populære og bredt anvendelige enkelt‑atomlagmateriale, findes der flere andre eksempler i kategorien. 

Enkelt‑atomlagmaterialer er også kendt som 2D ikke‑lagdelte materialer. De får dette navn, fordi deres dannelse sker ved kemisk binding i tre dimensioner (3D), hvilket resulterer i umættede hængende bindinger på overfladen og skaber en højaktiv og højenergi overflade. 

Udover Graphene er et eksempel på et sådant enkelt‑atomlagmateriale sort fosfor, kendt som phosphorene. Blandt andre ikke‑lagdelte materialer har vi eksempler på silicium og germanen. 

På grund af deres lag‑afhængige egenskaber, kant‑effekter og variable båndstrukturer udviser disse materialer ofte et unikt sæt af egenskaber ved deres kanter. De kan modificeres ved belastning eller påførte elektriske felter, hvilket også giver dem justerbare egenskaber. 

Metal‑kalkogener, metal‑oxider, III‑V halvledere og organisk‑inorganiske perovskitter er blandt de mest almindelige enkelt‑atomlag‑ eller todimensionale ikke‑lagdelte materialer. 

Lad os kort se på nogle af de virkelige eksempler på sådanne materialer. some of the real-life examples af sådanne materialer. Eksempler på metal‑kalkogener inkluderer molybdenumdisulfid (MoS2), wolframdisulfid (WS2) og wolframdiselenid (WSe2), mens indiumoxid (In2O3), tinoxid (SnO2) og zinkoxid (ZnO) er fremtrædende eksempler på metal‑oxider. 

III‑V halvledere får deres navn fra, at de består af et gruppe‑III‑element, såsom aluminium, gallium eller indium, bundet til et gruppe‑V‑element, såsom fosfor, arsen eller antimon. Galliumarsenid og indiumfosfat er eksempler på III‑V halvledere. 

Eksempler på organisk‑inorganiske perovskitter inkluderer methylammonium blyiodid (MAPbI3) og formamidinium blyiodid (FAPbI3).

Disse materialer kan finde flere anvendelser. Der er virksomheder, der bygger løsninger på dem. I det kommende afsnit vil vi se nærmere på dem. 

#1. Haydale Graphene Industries

Den inerte natur af Graphene gjorde det svært at anvende. Haydale Graphene Industries, udviklede, for at løse problemet, en powder‑in, powder‑out‑proces, der problemfrit kan overvinde dette problem med plasma‑funktionalisering. 

Denne proces, der kunne frigøre potentialet i Graphene, blev kendt som Haydale HDPlas, en tør, ren og miljøvenlig metode, der kan forbedre graphene og andre nanomaterialer ved at tilføre dem den nødvendige mekaniske styrke samt forbedret elektrisk og termisk ledningsevne. 

Haydale har udviklet mange interessante graphene‑baserede løsninger, herunder en række tilpasselige graphene‑blæk til biomedicinske enheder, fleksibel elektronik, varmeelementer og bærbar teknologi. De leverer også funktionaliseret boronit, kendt som hvid graphene. Dette syntetiske keramiske materiale er ikke‑giftigt og kan findes i fast og pulverform. Nogle af dets egenskaber omfatter isolering, styrke, vægt og elektrisk ledningsevne. 

Haydales portefølje af funktionaliseret graphene og nanomateriale‑additiver viser sig også effektiv i fremstilling af elastomerprodukter. Disse kan bruges i gummicykeldæk og vej dæk, sålesåler til fodtøj, pakninger og tætninger. Haydales siliciumkarbid‑graphene‑produkter anvendes i keramisk‑polymer overfladebehandling for at beskytte betonkonstruktioner. 

Ved brug af graphene har Haydale også udviklet nyttige kompositter, termoplastik og solenergi‑skæreværktøjer. 

For nylig annoncerede Haydale (AIM: HAYD) sine interimresultater for året, der sluttede den 31. december 2023 (“FY23”). Ifølge rapporten steg deres koncernomsætning med 38 % til £2,47 millioner (H1 FY23 £1,78 millioner).

#2. Siemens

Et andet højt avanceret anvendelsestilfælde for graphene‑folie kan ses i Siemmens opbygning af cyklotrone. En gruppe forskere anvendte graphene‑folie som en ekstraktor‑ (stripper‑) folie i 11‑MeV Siemens Eclipse Cyclotron. 

Disse folie udviste en usædvanligt høj termisk ledningsevne sammenlignet med carbon og betydelig mekanisk styrke. Deres levetid var mere end 16.000 PA*H. Brug af graphene‑folie resulterede også i en betydelig stigning i transmissionsfaktoren – forholdet mellem strålestrømmen på stripper‑folien og strømmen på målet – som var over 90 %. 

Eksperimentet viste, hvordan enkelt‑atomlag‑graphene‑folie effektivt kan konkurrere med andre carbon‑folie, som normalt bruges som stripper‑folie. 

Siemens er kendt over hele verden for at fremstille højkvalitets, sofistikerede og teknologisk intensive produkter. At et sådant firma bruger enkelt‑atomlagmaterialer i folieform viser kategoriens potentiale. 

I regnskabsåret 2023 tjente Siemens en omsætning på 19,66 milliarder euro, en bemærkelsesværdig stigning fra 17,39 milliarder euro registreret i 2022. 

Flere udforskninger af enkelt‑atomlagmaterialer

Nyere forskning viste at, ud over materialer som Goldene eller Graphene, tilbyder monolag sort fosfor, også kendt som Phosphorene, tydelige fordele i sensorapplikationer. Videnskabsfolk og forskere tilskriver disse unikke fordele Phosphorene’s “puckered” gitterstruktur, som giver materialet et større overflade‑til‑volumen‑forhold end graphene og overgangsmetal‑dichalcogenider (TMDC’er). Phosphorene er alsidig i sine anvendelser og kan bruges i forskellige sensorscenarier, herunder gassensor, fugtighedssensor, fotodetektion, biosensor og ion‑sensor.

Phosphorene viser også betydeligt potentiale inden for elektronik og optoelektronik. Videnskabelige publikationer har afsløret at dens indre anisotrope elektroniske, transport‑, optoelektroniske, termoelektriske og mekaniske egenskaber adskiller sig markant fra dem i graphene og overgangsmetal‑dichalcogenider. Letheden ved fremstilling og de nye egenskaber ved phosphorene har fremmet design og demonstration af nye nanodevicer. 

En anden undersøgelse pegede på fordelene ved at kombinere graphene og phosphorene. For at gå dybere ind i, hvordan denne kombination kan være nyttig, ser vi på de sammenlignende resultater for natrium‑ion‑batterier som et alternativ til lithium‑ion‑batterier. Selvom natrium‑ion‑batterier viser ydeevne, der kan sammenlignes med deres lithium‑ion‑modparter, ligger udfordringen i at udvikle mere levedygtige anodematerialer. Og her kommer graphene‑phosphorene‑kombinationen i spil. 

I et videnskabeligt eksperiment demonstrerede forskerne dets potentiale. Et hybridmaterial bestående af et par phosphorene‑lag, der er indkapslet mellem graphene‑lag, kunne vise en specifik kapacitet på 2.440 mA h g⁻¹ (beregnet ud fra kun fosforens masse) ved en strømstyrke på 0,05 A g⁻¹ og en kapacitetsbevarelse på 83 % efter 100 cyklusser, mens det opererede mellem 0 og 1,5 V.

Forskerne brugte in situ transmissionselektronmikroskopi og ex situ røntgendiffraktionsteknikker til at forklare den store kapacitet i den anode, de udviklede. De udviklede den gennem en dobbeltmekanisme, hvor natriumioner interkalerer langs x‑aksen i phosphorene‑lagene, efterfulgt af dannelsen af en Na₃P‑legering.

Et andet enkelt‑atomlagmateriale, der med succes har fanget det videnskabelige samfunds fantasi, er Germanene. Interesse for Germanene er primært på grund af dets optiske egenskaber. De relevante beregninger har vist, at Germanene‑arket har betydelig lysabsorption i sollysspektret og udviser optisk anisotropi.

Germanene er unik, fordi det er en halvleder med nul båndgab og lineær bånddispersion omkring K‑punktet. Mens båndgabet åbnes i nærvær af en bias‑spænding, øges det lineært med den stigende styrke af bias‑spændingen.

Derfor er det ikke kun Goldene, men en række enkelt‑atomlagmaterialer, herunder graphene, phosphorene, germanene og flere, der er ved at åbne nye videnskabelige grænser for fremtidige opdagelser.

Vi skal holde fokus på egenskaberne ved disse materialer. Kun da vil vi kunne opdage flere anvendelser. Vi skal huske, at den høje overfladeaktivitet i 2D ikke‑lagdelte materialer gør dem til nyttige katalysatorer for vigtige reaktioner, såsom oxidation af kuldioxid og reduktion af vand.

Disse materialer har bevist deres værdi inden for energilagring og -konversion ved at hjælpe med at udvikle brændselsceller og solceller. I optoelektronik resulterer deres egenskaber i produktionen af høj‑kvalitets lys‑emitterende dioder, lasere og sensorer. Deres topologiske isoleringsegenskaber hjælper også med at skabe isolatorer, der leder elektricitet på overfladen, men isolerer i bulk.

Alt i alt er avancerede enkelt‑atomlagmaterialer porte til en mængde muligheder. I fremtiden vil vi helt sikkert se en udbredt adoption!

Klik for listen over fem virksomheder, der leder udviklingen af nanoteknologi.