Von Graphen zu Goldene: Fortschrittliche einatomige Schichtmaterialien öffnen neue Türen für zukünftige Entdeckungen

Keiner von uns hat Zweifel am Wert von Gold in unserem Bewusstsein. Schließlich ist es das beliebteste und langlebigste Wertaufbewahrungsmittel. Doch die wissenschaftlichen Fortschritte, die die Menschheit erzielt hat, haben uns nun an die Schwelle von Goldene geführt. Und es könnte, gelinde gesagt, ein Wendepunkt sein. Aber was ist Goldene? Warum ist die Wissenschaftsgemeinde so begeistert davon? Lassen Sie uns tiefer eintauchen.

Goldene: Sheets of Gold that is Only a Single Atom Layer Thick

Zum ersten Mal haben Forscher der Linköpinger Universität, Schweden, Goldblätter hergestellt, deren Dicke einer einzigen Atomschicht entspricht. Die Forscher haben diese Ableitung Goldene genannt. Goldene könnte für eine Reihe anspruchsvoller Aufgaben nützlich sein, darunter die Umwandlung von Kohlendioxid, die Wasserstoffproduktion und die Herstellung von wertschöpfenden Chemikalien. 

Laut Shun Kashiwaya, Forscher in der Materials Design Division an der Universität:

„Wenn man ein Material extrem dünn macht, geschieht etwas Außergewöhnliches – wie bei Graphen. Dasselbe passiert mit Gold. Wie Sie wissen, ist Gold normalerweise ein Metall, aber wenn es nur eine einatomige Schicht dick ist, kann Gold stattdessen zu einem Halbleiter werden.“

How Was ‘Goldene’ Created?

Die Erfindung begann mit der Entwicklung eines dreidimensionalen Basismaterials, das durch Einbetten von Gold zwischen Schichten aus Titan und Kohlenstoff entstand. Bei hohen Temperaturen wurde das dünn geschichtete Silizium von Titan‑Silizium‑Carbid durch Gold ersetzt, was zur Entdeckung von Titan‑Gold‑Carbid führte. Allerdings war es ein Zufallsfund. Die Forscher hatten beabsichtigt, das elektrisch leitfähige Titan‑Silizium‑Carbid mit Gold zu beschichten, um einen Kontakt zu ermöglichen.  

Um ihre Arbeit auszuführen, nutzten die Forscher eine traditionelle Methode, die seit über hundert Jahren Bestandteil der japanischen Schmiedekunst ist. Die Komponente heißt Murakamis Reagenz. Die Forscher setzten es in unterschiedlichen Konzentrationen und für verschiedene Zeitspannen ein, um schließlich die gewünschte Komponente zu erreichen. 

Obwohl sie schließlich die Goldblätter in der gewünschten Dicke einer einzelnen Atomschicht herstellen konnten, war es entscheidend, sie stabil zu machen. Sie verwendeten ein Tensid, ein langkettiges Molekül, um die Blätter zu trennen und zu stabilisieren, als Tensid, um sicherzustellen, dass die Blätter nicht aufrollen. 

Während er das Endprodukt und seine wissenschaftliche Validierung beschrieb, sagte Shun Kashiwaya, einer der Forscher, Folgendes:

„Die goldenen Blätter befinden sich in einer Lösung, ein wenig wie Cornflakes in Milch. Mit einer Art „Sieb“ können wir das Gold sammeln und mit einem Elektronenmikroskop untersuchen, um zu bestätigen, dass wir erfolgreich waren. Was wir sind.“

The Many Potential Applications of Goldene

Die potenziellen Anwendungen von Goldene erstrecken sich über ein breites Spektrum von Bereichen, darunter die Umwandlung von Kohlendioxid, die katalytische Erzeugung von Wasserstoff, die selektive Herstellung von wertschöpfenden Chemikalien, die Wasserstoffproduktion, Wasseraufbereitung, Kommunikation und vieles mehr.

Im anschließenden Follow‑Up planen die Forscher, die Möglichkeit zu untersuchen, die Menge an verwendetem Gold in diesen Anwendungen zu reduzieren und Gold durch andere Edelmetalle zu ersetzen. Diese neuen Verbindungen könnten zahlreiche weitere Anwendungen ermöglichen. 

Während Goldene viele neue Türen in Bezug auf seine wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen öffnen könnte, ist die Faszination der Wissenschaftsgemeinde für einatomige Schichtmaterialien nicht neu. 

The Curious Case of Single-Layer Atom Materials: Graphene and More

Immer wenn wir über einatomige Schichtmaterialien sprechen, müssen wir zwangsläufig über Graphen reden. Es ist populär weil es Potenzial hat. Aus Graphit, der kristallinen Form von Kohlenstoff, extrahiert, ist Graphen leicht, elastisch und robust. Abgesehen von seiner Dünnheit besitzt es eine hohe Festigkeit, 200 mal stärker als Stahl. Dennoch ist es fünfmal leichter als Aluminium. Es hat zudem Lichtabsorptionseigenschaften sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.  

Graphen wird derzeit verstärkt diskutiert, weil kürzlich ein Durchbruch erzielt wurde, bei dem Forscher erfolgreich das erste funktionelle Graphen‑Halbleiter demonstrieren konnten. Diese Entdeckung könnte zu dramatischen Veränderungen in der Welt der Computertechnik und Elektronik führen. first functional graphene semiconductor. This discovery may lead to dramatic changes in the world of computing and electronics. 

Während Graphen das populärste und am weitesten verbreitete einatomige Schichtmaterial sein könnte, gibt es mehrere weitere Beispiele in dieser Kategorie. 

Einatomige Schichtmaterialien werden auch als 2D non-layered materials bezeichnet. Sie erhalten diesen Namen, weil ihre Entstehung durch chemische Bindungen in drei Dimensionen (3D) erfolgt, was zu ungesättigten, hängenden Bindungen an der Oberfläche führt und eine hochaktive, hochenergetische Oberfläche erzeugt. 

Abgesehen von Graphen ist ein Beispiel für ein solches einatomiges Material schwarzer Phosphor, bekannt als Phosphoren. Unter den anderen nicht‑schichtigen Materialien finden wir Beispiele wie Silikon und Germanen. 

Aufgrund ihrer schichtabhängigen Eigenschaften, Kanten‑Effekte und variablen Bandstrukturen zeigen diese Materialien oft ein einzigartiges Eigenschaftsspektrum an ihren Kanten. Sie lassen sich durch mechanische Dehnung oder angelegte elektrische Felder modifizieren, was ihnen Abstimmungsmöglichkeiten verleiht. 

Metallchalcogenide, Metalloxide, III‑V‑Halbleiter und organisch‑anorganische Perowskite gehören zu den häufigsten einatomigen bzw. zweidimensionalen nicht‑schichtigen Materialien. 

Betrachten wir kurz einige der realen Beispiele solcher Materialien. Beispiele für Metallchalcogenide umfassen Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdissulfid (WS2) und Wolframdiselenid (WSe2), während Indiumoxid (In2O3), Zinnoxid (SnO2) und Zinkoxid (ZnO) primäre Beispiele für Metalloxide sind. 

III‑V‑Halbleiter erhalten ihren Namen, weil sie ein Element der Gruppe III, wie Aluminium, Gallium oder Indium, mit einem Element der Gruppe V, wie Phosphor, Arsen oder Antimon, verbinden. Galliumarsenid und Indiumphosphat sind Beispiele für III‑V‑Halbleiter. 

Beispiele für organisch‑anorganische Perowskite sind Methylammonium‑Blei‑Iodid (MAPbI3) und Formamidinium‑Blei‑Iodid (FAPbI3).

Diese Materialien könnten in mehreren Anwendungen eingesetzt werden. Unternehmen bauen darauf Lösungen. Im kommenden Abschnitt werden wir sie genauer betrachten. 

#1. Haydale Graphene Industries

Die träge Natur von Graphen machte seine Einführung schwierig. Haydale Graphene Industries entwickelte, um das Problem zu lösen, einen Pulver‑in‑Pulver‑out‑Prozess, der dieses Problem der Plasmapfunktionalisierung nahtlos überwinden konnte. 

Dieser Prozess, der das Potenzial von Graphen freisetzen konnte, wurde als Haydale HDPlas bekannt – ein trockenes, sauberes und umweltfreundliches Verfahren, das Graphen und andere Nanomaterialien verbessert, indem es ihnen die erforderliche mechanische Festigkeit sowie verbesserte elektrische und thermische Leitfähigkeit verleiht. 

Haydale hat zahlreiche interessante, auf Graphen basierende Lösungen entwickelt, darunter eine Reihe anpassbarer Graphen‑Tinten für biomedizinische Geräte, flexible Elektronik, Heizelemente und tragbare Technologie. Außerdem liefert das Unternehmen funktionalisiertes Bornitrid, bekannt als weißes Graphen. Dieses synthetische Keramikmaterial ist ungiftig und ist sowohl in fester als auch in Pulverform erhältlich. Zu seinen Eigenschaften zählen Isolation, Festigkeit, geringes Gewicht und elektrische Leitfähigkeit. 

Haydales Portfolio an funktionalisiertem Graphen und Nanomaterial‑Additiven erweist sich zudem als wirksam in der Herstellung von Elastomerprodukten. Diese können in Fahrrad‑ und Straßenreifen aus Gummi, Schuhsohlen, Dichtungen und Dichtungsringen eingesetzt werden. Die Siliziumkarbid‑Graphen‑Produkte von Haydale werden zur keramisch‑polymeren Oberflächenbehandlung verwendet, um Betonprodukte zu schützen. 

Mit Graphen hat Haydale außerdem nützliche Verbundwerkstoffe, Thermoplaste und solarbetriebene Schneidwerkzeuge entwickelt. 

Kürzlich gab Haydale (AIM: HAYD) seine Zwischenergebnisse für das am 31. Dezember 2023 beendete Geschäftsjahr („FY23“) bekannt. Laut dem Bericht stiegen die Konzernumsätze um 38 % auf £2,47 Millionen (H1 FY23 £1,78 Millionen).

#2. Siemens

Ein weiteres hochentwickeltes Anwendungsbeispiel für Graphen‑Folien ist bei Siemens im Bau von Zyklotronen zu sehen. Eine Forschergruppe nutzte Graphen‑Folien als Extraktions‑ (Stripper‑) Folie im 11‑MeV Siemens Eclipse Zyklotron. 

Diese Folien zeigten im Vergleich zu Kohlenstoff eine außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit und eine erhebliche mechanische Festigkeit. Ihre Lebensdauer betrug mehr als 16.000 PA*H. Der Einsatz von Graphen‑Folien führte zudem zu einer signifikanten Steigerung des Transmissionsfaktors – dem Verhältnis des Strahlstroms auf der Stripper‑Folie zum Strom auf dem Ziel – welcher über 90 % lag. 

Das Experiment zeigte, wie einatomige Graphen‑Folien effizient mit anderen Kohlenstoff‑Folien konkurrieren können, die üblicherweise als Stripper‑Folien verwendet werden. 

Siemens ist weltweit für die Herstellung hochentwickelter, anspruchsvoller und technologieintensiver Produkte bekannt. Ein solches Unternehmen, das einatomige Schichtmaterialien in Folienform einsetzt, demonstriert das Potenzial dieser Kategorie. 

Im Geschäftsjahr 2023 erzielte Siemens einen Umsatz von 19,66 Milliarden Euro, ein bemerkenswerter Anstieg gegenüber den 17,39 Milliarden Euro im Jahr 2022. 

More Explorations Around Single-Atom Layer Materials

Aktuelle Forschungen haben gezeigt, dass neben Materialien wie Goldene oder Graphen das einlagige Schwarzphosphor, auch als Phosphoren bekannt, besondere Vorteile in Sensoranwendungen bietet. Wissenschaftler und Forscher führen diese einzigartigen Vorteile auf die „gewellte“ Gitterstruktur von Phosphoren zurück, die dem Material ein größeres Oberflächen‑zu‑Volumen‑Verhältnis als Graphen und Übergangs‑Metall‑Dichalcogenide (TMDCs) verleiht. Phosphoren ist in seinen Anwendungen vielseitig einsetzbar und kann in verschiedenen Sensorszenarien verwendet werden, darunter Gassensorik, Feuchtigkeitssensorik, Fotodetektion, Biosensorik und Ionsensorik. 

Phosphoren zeigt zudem erhebliches Potenzial in der Elektronik und Optoelektronik. Wissenschaftliche Publikationen haben gezeigt, dass seine intrinsisch anisotropen elektronischen, Transport‑, optoelektronischen, thermoelektrischen und mechanischen Eigenschaften sich deutlich von denen von Graphen und Übergangs‑Metall‑Dichalcogeniden unterscheiden. Die einfache Herstellung und die neuartigen Eigenschaften von Phosphoren haben die Entwicklung und Demonstration neuer Nanogeräte vorangetrieben. 

Eine weitere Studie wies auf die Vorteile der Kombination von Graphen und Phosphoren hin. Um genauer zu untersuchen, wie diese Kombination nützlich sein könnte, betrachten wir die vergleichende Stellung von Natrium‑Ion‑Batterien als Alternative zu Lithium‑Ion‑Batterien. Während Natrium‑Ion‑Batterien Leistungen zeigen, die mit denen ihrer Lithium‑Ion‑Gegenstücke vergleichbar sind, besteht die Herausforderung darin, brauchbarere Anodenmaterialien zu entwickeln. Und hier kommt die Kombination aus Graphen‑Phosphoren ins Spiel. 

In einem wissenschaftlichen Experiment zeigten die Forscher das Potenzial. Ein Hybridmaterial, das aus einigen Phosphoren‑Schichten besteht, die zwischen Graphen‑Schichten eingeklemmt sind, konnte bei einer Stromdichte von 0,05 A g⁻¹ eine spezifische Kapazität von 2.440 mA h g⁻¹ (berechnet anhand der Masse von Phosphor allein) erreichen und nach 100 Zyklen eine Kapazitätsausbeute von 83 % bei einem Betriebsbereich von 0 bis 1,5 V beibehalten. 

Die Forscher nutzten In‑Situ‑Transmission‑Elektronen‑Mikroskopie und Ex‑Situ‑Röntgen‑Diffraktions‑Techniken, um die hohe Kapazität der von ihnen entwickelten Anode zu erklären. Sie entwickelten sie durch einen doppelten Mechanismus, bei dem Natrium‑Ionen entlang der x‑Achse der Phosphoren‑Schichten interkalieren, gefolgt von der Bildung einer Na₃P‑Legierung. 

Ein weiteres einatomiges Schichtmaterial, das die Vorstellungskraft der Wissenschaftsgemeinde erfolgreich erobert hat, ist Germanen. Das Interesse an Germanen richtet sich hauptsächlich auf seine optischen Eigenschaften. Berechnungen haben gezeigt, dass das Germanen‑Blatt im Sonnenspektrum eine signifikante Lichtabsorption aufweist und optische Anisotropie zeigt. 

Germanen ist einzigartig, weil es ein Halbleiter mit null Bandlücke und linearer Banddispersion um den K‑Punkt ist. Während die Bandlückenöffnung in Gegenwart einer Vorspannung auftritt, steigt sie linear mit zunehmender Spannung. 

Daher werden nicht nur Goldene, sondern eine Vielzahl einatomiger Schichtmaterialien, darunter Graphen, Phosphoren, Germanen und weitere, neue wissenschaftliche Grenzen für zukünftige Entdeckungen eröffnen. 

Wir müssen unseren Fokus konsequent auf die Eigenschaften dieser Materialien richten. Nur dann werden wir weitere Anwendungen entdecken können. Wir sollten uns daran erinnern, dass die hohe Oberflächenaktivität von 2‑D‑nicht‑schichtigen Materialien sie zu nützlichen Katalysatoren für entscheidende Reaktionen macht, wie die Oxidation von Kohlendioxid und die Reduktion von Wasser. 

Diese Materialien haben ihren Wert in der Energiespeicherung und -umwandlung bewiesen, indem sie zur Entwicklung von Brennstoffzellen und Solarzellen beigetragen haben. In der Optoelektronik führen ihre Eigenschaften zur Herstellung hochwertiger Leuchtdioden, Laser und Sensoren. Ihre topologischen Isolationseigenschaften ermöglichen zudem Isolatoren, die an ihrer Oberfläche Strom leiten, im Volumen jedoch isolieren. 

Insgesamt sind fortschrittliche einatomige Schichtmaterialien Tore zu einer Vielzahl von Möglichkeiten. In Zukunft werden wir mit Sicherheit eine weit verbreitete Anwendung beobachten! 

Klicken Sie für die Liste der fünf Unternehmen, die die Entwicklung der Nanotechnologie anführen.