Από το Graphene στο Goldene: Τα Προηγμένα Υλικά Μονοατομικού Στρώματος Ανοίγουν Νέες Πόρτες για Μελλοντικές Ανακαλύψεις

Κανείς από εμάς δεν έχει αμφιβολίες για την αξία του χρυσού στο μυαλό μας. Τελικά, είναι το πιο δημοφιλές και μακροχρόνιο αποθεματικό αξίας. Ωστόσο, οι επιστημονικές προόδους που έχουν επιτευχθεί από τον ανθρώπινο πολιτισμό μας έχουν φτάσει πλέον στα όρια του Goldene. Και θα μπορούσε, ελάχιστα, να είναι ένας καθοριστικός παράγοντας. Αλλά τι είναι το Goldene; Γιατί η επιστημονική κοινότητα είναι τόσο ενθουσιασμένη γι’ αυτό; Ας εμβαθύνουμε.

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

Για πρώτη φορά, ερευνητές από το Linköping University, Σουηδία, δημιούργησαν φύλλα χρυσού των οποίων το πάχος ισούται με ένα στρώμα μονοατόμου. Οι ερευνητές ονόμασαν αυτήν την παραλλαγή Goldene. Το Goldene μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο για μια σειρά από εξελιγμένες εργασίες, όπως η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα, η παραγωγή υδρογόνου και η παραγωγή χημικών προστιθέμενης αξίας. 

Σύμφωνα με τον Shun Kashiwaya, ερευνητή στη Division Σχεδίασης Υλικών του Πανεπιστημίου:

“Αν κάνετε ένα υλικό εξαιρετικά λεπτό, συμβαίνει κάτι εξαιρετικό – όπως με το γραφένιο. Το ίδιο συμβαίνει με το χρυσό. Όπως ξέρετε, ο χρυσός είναι συνήθως μέταλλο, αλλά αν είναι ένα στρώμα μονοατόμου, ο χρυσός μπορεί να γίνει ημιαγωγός αντίθετα.”

How Was ‘Goldene’ Created?

Η εφεύρεση ξεκίνησε με την ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου βασικού υλικού που δημιουργήθηκε ενσωματώνοντας χρυσό μεταξύ στρωμάτων τιτανίου και άνθρακα. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το λεπτό στρώμα πυριτίου του Τιτανίου Πυριτίου Σιλικόνης αντικαταστάθηκε από χρυσό, οδηγώντας στην ανακάλυψη του Τιτανίου Χρυσού Καρβιδίου. Ωστόσο, ήταν μια τυχαία ανακάλυψη. Οι ερευνητές στόχευαν να επικαλύψουν το ηλεκτρικά αγώγιμο τιτάνιο πυριτίου σιλικόνης με χρυσό ώστε να μπορεί να κάνει επαφή.

Για να εκτελέσουν τη δουλειά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια παραδοσιακή μέθοδο που αποτελεί μέρος της ιαπωνικής τέχνης σφυρηλάτησης για πάνω από εκατό χρόνια. Το συστατικό ονομάζεται αντιδραστήριο Murakami. Οι ερευνητές το χρησιμοποίησαν σε διαφορετικές συγκεντρώσεις και για διαφορετικά χρονικά διαστήματα ώστε τελικά να φτάσουν στο επιθυμητό σύστημα.

Αν και κατάφεραν τελικά να παράγουν τα φύλλα χρυσού με το επιθυμητό πάχος ενός μονοατόμου, ήταν κρίσιμο να τα σταθεροποιήσουν. Χρησιμοποίησαν ένα τενσίντ, ένα μακρύ μόριο για το διαχωρισμό και τη σταθεροποίηση των φύλλων, ως επιφανειοδραστικό ώστε να εξασφαλιστεί ότι τα φύλλα δεν θα κυρτωθούν.

Καθώς περιέγραφε το τελικό αποτέλεσμα και την επιστημονική του επικύρωση, ο Shun Kashiwaya, ένας από τους ερευνητές, είχε τα εξής να πει:

“Τα χρυσά φύλλα βρίσκονται σε διάλυμα, κάπως όπως τα cornflakes στο γάλα. Χρησιμοποιώντας ένα είδος “αποχρυσωτήρα”, μπορούμε να συλλέξουμε το χρυσό και να το εξετάσουμε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να επιβεβαιώσουμε ότι έχουμε πετύχει. Όπως πράγματι συνέβη.”

The Many Potential Applications of Goldene

Οι πιθανές εφαρμογές του Goldene καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα πεδίων, όπως η μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα, η καταλύτρια παραγωγή υδρογόνου, η επιλεκτική παραγωγή χημικών προστιθέμενης αξίας, η παραγωγή υδρογόνου, η καθαρισμός νερού, η επικοινωνία και πολλά άλλα.

Στην επόμενη φάση, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εξερευνήσουν τη δυνατότητα μείωσης της ποσότητας χρυσού που χρησιμοποιείται σε αυτές τις εφαρμογές και την αντικατάσταση του χρυσού με άλλα ευγενή μέταλλα. Αυτά τα νέα ενώματα μπορεί να έχουν πολλές ακόμη νέες εφαρμογές.

Ενώ το Goldene υπόσχεται να ανοίξει πολλές νέες πόρτες όσον αφορά τις επιστημονικές και τεχνολογικές του εφαρμογές, η γοητεία της επιστημονικής κοινότητας για τα υλικά μονοατομικού στρώματος δεν είναι καινούργια.

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

Κάθε φορά που μιλάμε για υλικά μονοατομικού στρώματος, αναπόφευκτα συζητάμε το Γραφένιο. Είναι δημοφιλές λόγω του δυναμικού του. Εξάγεται από το Γραφίτη, την κρυσταλλική μορφή του άνθρακα, το Γραφένιο είναι ελαφρύ, ελαστικό και ανθεκτικό. Εκτός από τη λεπτότητά του, διαθέτει υψηλή αντίσταση, 200 φορές μεγαλύτερη από το χάλυβα. Ωστόσο, είναι πέντε φορές πιο ελαφρύ από το αλουμίνιο. Έχει επίσης ικανότητες απορρόφησης φωτός και υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα.

Το Γραφένιο είναι περισσότερο στο επίκεντρο αυτές τις μέρες λόγω μιας πρόσφατης επανάστασης όπου οι ερευνητές κατάφεραν να αποδείξουν το πρώτο λειτουργικό ημιαγωγό γραφενίου. Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να οδηγήσει σε δραματικές αλλαγές στον κόσμο της υπολογιστικής και της ηλεκτρονικής.

Ενώ το γραφένιο θα μπορούσε να είναι το πιο δημοφιλές και ευρέως εφαρμόσιμο υλικό μονοατομικού στρώματος, υπάρχουν αρκετά άλλα παραδείγματα στην κατηγορία.

Τα υλικά μονοατομικού στρώματος είναι επίσης γνωστά ως 2D μη-στρωματικά υλικά. Ονομάζονται έτσι επειδή η δημιουργία τους γίνεται μέσω χημικής σύνδεσης σε τρεις διαστάσεις (3D), με αποτέλεσμα ακόρεστα κρεμαστά δεσμά στην επιφάνεια, προκαλώντας μια υψηλή δραστικότητα και υψηλής ενέργειας επιφάνεια.

Εκτός από το Γραφένιο, ένα παράδειγμα τέτοιου μονοατομικού υλικού είναι το μαύρο φώσφορο, γνωστό ως φωσφορενίου. Μεταξύ άλλων μη-στρωματικών υλικών, έχουμε παραδείγματα σιλικόνης και γερμανίου (germanene).

Λόγω των ιδιοτήτων τους που εξαρτώνται από το στρώμα, των φαινομένων στα άκρα των στρωμάτων και των μεταβλητών δομών ζώνης, αυτά τα υλικά συχνά εμφανίζουν ένα μοναδικό σύνολο ιδιοτήτων στα άκρα τους. Μπορούν να τροποποιηθούν με τάση ή εφαρμοσμένα ηλεκτρικά πεδία, που τα εξοπλίζουν επίσης με δυνατότητες ρύθμισης.

Τα μεταλλικά χαλκογένη, τα μεταλλικά οξείδια, τα ημιαγωγά III-V και τα οργανικο-ανόργανα περοβσκίτες ανήκουν στα πιο κοινά υλικά μονοατομικού στρώματος ή δισδιάστατα μη-στρωματικά υλικά.

Ας ρίξουμε μια σύντομη ματιά σε μερικά παραδείγματα πραγματικής χρήσης τέτοιων υλικών. Παραδείγματα μεταλλικών χαλκογενών περιλαμβάνουν το μολυβδενίου δισουλφίδιο (MoS2), το βανάδιου δισουλφίδιο (WS2) και το βανάδιου δισελενίου (WSe2), ενώ το οξείδιο του ινδίου (In2O3), το οξείδιο του καστίου (SnO2) και το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) είναι κύρια παραδείγματα μεταλλικών οξειδίων.

Τα ημιαγωγά III-V παίρνουν το όνομά τους από το γεγονός ότι περιλαμβάνουν ένα στοιχείο ομάδας III, όπως το αλουμίνιο, το γαλλίου ή το ίνδιο, δεσμευμένο με ένα στοιχείο ομάδας V, όπως το φώσφορο, το αρσενικό ή το αντιμόνιο. Το Γαλλίου Αρσενικό (GaAs) και το Ινδίου Φωσφορικό (InP) είναι παραδείγματα ημιαγωγών III-V.

Παραδείγματα οργανικο-ανόργανων περοβσκίτων περιλαμβάνουν το μεθυλοαμμωνίου μολύβδου ιωδίου (MAPbI3) και το φορμαμιδίου μολύβδου ιωδίου (FAPbI3).

Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να βρουν πολλές εφαρμογές. Υπάρχουν επιχειρήσεις που δημιουργούν λύσεις πάνω σε αυτά. Στο επόμενο τμήμα, θα τα εξετάσουμε.

#1. Haydale Graphene Industries

Η αδρανή φύση του Γραφενίου το έκανε δύσκολο στην υιοθέτηση. Haydale Graphene Industries, για να αντιμετωπίσει το πρόβλημα, ανέπτυξε μια διαδικασία powder-in, powder-out που μπορεί να ξεπεράσει άψογα αυτό το ζήτημα της λειτουργίας με πλάσμα.

Αυτή η διαδικασία που μπορεί να απελευθερώσει το δυναμικό του Γραφενίου έγινε γνωστή ως Haydale HDPlas, μια ξηρή, καθαρή και περιβαλλοντικά υγιής μέθοδος που μπορεί να βελτιώσει το γραφένιο και άλλα νανοϋλικά παρέχοντάς τους την απαιτούμενη μηχανική αντοχή και ενισχυμένη ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα.

Η Haydale έχει αναπτύξει πολλές ενδιαφέρουσες λύσεις βασισμένες στο γραφένιο, συμπεριλαμβανομένης μιας σειράς προσαρμόσιμων μελανιών γραφενίου για βιοϊατρικές συσκευές, ευέλικτα ηλεκτρονικά, στοιχεία θέρμανσης και φορητή τεχνολογία. Είναι επίσης προμηθευτής λειτουργικοποιημένου νιτρικού βορικού, γνωστού ως λευκό γραφένιο. Αυτό το συνθετικό κεραμικό υλικό είναι μη τοξικό και μπορεί να βρεθεί σε στερεή και σε σκόνη μορφή. Μερικές από τις ιδιότητές του περιλαμβάνουν μόνωση, αντοχή, βαρύτητα και ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Το χαρτοφυλάκιο της Haydale από λειτουργικοποιημένο γραφένιο και πρόσθετα νανοϋλικών αποδεικνύεται επίσης αποτελεσματικό στην κατασκευή προϊόντων ελαστομέρων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ελαστικά ελαστικά ποδηλάτων και οδικών ελαστικών, σόλες παπουτσιών, σφραγίδες και παρεμβάσεις. Τα προϊόντα γραφενίου πυριτίου του Silicon Carbide της Haydale χρησιμοποιούνται σε επεξεργασία επιφανειών κεραμικού-πολυμερούς για την προστασία προϊόντων σκυροδέματος.

Χρησιμοποιώντας το γραφένιο, η Haydale έχει επίσης αναπτύξει χρήσιμα σύνθετα υλικά, θερμοπλαστικά και εργαλεία κοπής ηλιακής ενέργειας.

Πρόσφατα η Haydale (AIM: HAYD) ανακοίνωσε τα ενδιάμεσα αποτελέσματά της για το έτος που έληξε στις 31 Δεκεμβρίου 2023 (“FY23”). Σύμφωνα με την αναφορά, τα έσοδα της ομάδας αυξήθηκαν κατά 38% στα £2.47 εκατομμύρια (H1 FY23 £1.78 εκατομμύρια).

#2. Siemens

Ένα ακόμη εξαιρετικά προχωρημένο παράδειγμα χρήσης για φύλλα γραφενίου μπορεί να παρατηρηθεί στην κατασκευή κυκλοτρονίων της Siemens. Μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε φύλλα γραφενίου ως φύλλο εξαγωγέα (stripper) στο 11-MeV Siemens Eclipse Cyclotron.

Αυτά τα φύλλα παρουσίασαν εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με τον άνθρακα και σημαντική μηχανική αντοχή. Η διάρκεια ζωής τους ήταν πάνω από 16.000 PA*H. Η χρήση φύλλων γραφενίου οδήγησε επίσης σε σημαντική αύξηση του συντελεστή μετάδοσης — η αναλογία του ρεύματος δέσμης στο φύλλο stripper προς το ρεύμα στον στόχο — η οποία ξεπέρασε το 90%.

Το πείραμα έδειξε πώς τα φύλλα γραφενίου μονοατομικού στρώματος μπορούν να ανταγωνιστούν αποτελεσματικά άλλα φύλλα άνθρακα, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούνται ως φύλλα stripper.

Η Siemens είναι γνωστή παγκοσμίως για την κατασκευή υψηλής τεχνολογίας, εξελιγμένων και τεχνολογικά απαιτητικών προϊόντων. Μια τέτοια εταιρεία που χρησιμοποιεί υλικά μονοατομικού στρώματος σε μορφή φύλλου δείχνει το δυναμικό της κατηγορίας.

Στο οικονομικό έτος 2023, η Siemens κέρδισε έσοδα 19,66 δισεκατομμυρίων ευρώ, μια αξιοσημείωτη αύξηση από τα 17,39 δισεκατομμύρια ευρώ που καταγράφηκαν το 2022.

More Explorations Around Single-Atom Layer Materials

Πρόσφατη έρευνα έδειξε ότι, εκτός από υλικά όπως το Goldene ή το Γραφένιο, το μονοστρωματικό Μαύρο Φώσφορο, γνωστό και ως Φωσφορενίου, προσφέρει ξεχωριστά πλεονεκτήματα σε εφαρμογές ανίχνευσης. Οι επιστήμονες και οι ερευνητές αποδίδουν αυτά τα μοναδικά οφέλη στη “σπασμένη” δομή πλέγματος του Φωσφορενίου, η οποία προσδίδει στο υλικό μεγαλύτερο λόγο επιφάνειας προς όγκο σε σύγκριση με το γραφένιο και τα διχαλκοειδή μετάλλων μετάβασης (TMDCs). Το Φωσφορενίου είναι ευέλικτο στις εφαρμογές του και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορα σενάρια ανίχνευσης, όπως ανίχνευση αερίων, ανίχνευση υγρασίας, φωτοανίχνευση, βιοανίχνευση και ανίχνευση ιόντων.

Το Φωσφορενίου δείχνει επίσης σημαντική προοπτική στην ηλεκτρονική και την οπτοηλεκτρονική. Επιστημονικές δημοσιεύσεις έχουν αποκαλύψει ότι οι εγγενώς ανισομερείς ηλεκτρονικές, μεταφορικές, οπτοηλεκτρονικές, θερμοηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες του διαφέρουν σημαντικά από αυτές του γραφενίου και των διχαλκοειδών μετάλλων μετάβασης. Η ευκολία κατασκευής και οι νέες ιδιότητες του Φωσφορενίου έχουν ενθαρρύνει το σχεδιασμό και την επίδειξη νέων νανοσυσκευών.

Μια άλλη μελέτη τόνισε τα οφέλη του συνδυασμού γραφενίου και φωσφορενίου. Για να εμβαθύνουμε στο πώς αυτός ο συνδυασμός μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμος, εξετάζουμε τις συγκριτικές επιδόσεις των μπαταριών νατρίου-ιόντων ως εναλλακτική λύση στις μπαταρίες λιθίου-ιόντων. Ενώ οι μπαταρίες νατρίου-ιόντων παρουσιάζουν επιδόσεις συγκρίσιμες με τις αντίστοιχες μπαταρίες λιθίου-ιόντων, η πρόκληση είναι η ανάπτυξη πιο βιώσιμων υλικών άνοδος. Και εδώ έρχεται ο συνδυασμός γραφενίου-φωσφορενίου.

Σε ένα επιστημονικό πείραμα, οι ερευνητές απέδειξαν το δυναμικό του. Ένα υβριδικό υλικό που αποτελείται από μερικά στρώματα φωσφορενίου ενσωματωμένα μεταξύ στρωμάτων γραφενίου θα μπορούσε να εμφανίσει συγκεκριμένη χωρητικότητα 2.440 mA h g−1 (υπολογιζόμενη μόνο με τη μάζα του φώσφορου) σε πυκνότητα ρεύματος 0,05 A g−1 και διατήρηση χωρητικότητας 83% μετά από 100 κύκλους, λειτουργώντας μεταξύ 0 και 1,5 V.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τεχνικές in situ μετάδοσης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και εξωσυστημικής ακτινογραφικής διάθλασης για να εξηγήσουν τη μεγάλη χωρητικότητα του άνοδος που ανέπτυξαν. Το ανέπτυξαν μέσω ενός διπλού μηχανισμού ενσωμάτωσης ιόντων νατρίου κατά μήκος του άξονα x των στρωμάτων φωσφορενίου, ακολουθούμενο από το σχηματισμό μιας συμμαγίας Na3P.

Ένα άλλο υλικό μονοατομικού στρώματος που έχει καταφέρει να κερδίσει τη φαντασία της επιστημονικής κοινότητας είναι το Germanene. Το ενδιαφέρον για το Germanene επικεντρώνεται κυρίως στις οπτικές του ιδιότητες. Οι σχετικές υπολογισμοί έχουν δείξει ότι το φύλλο Germanene απορροφά σημαντικό φως στο ηλιακό φάσμα και παρουσιάζει οπτική ανισομερία.

Το Germanene είναι μοναδικό επειδή είναι ημιαγωγός με μηδενικό ενεργειακό χάσμα και γραμμική διάδοση ζώνης γύρω από το σημείο K. Ενώ το άνοιγμα του ενεργειακού χάσματος συμβαίνει παρουσία τάσης προσανατολισμού, αυξάνεται γραμμικά με την αυξανόμενη ένταση της τάσης.

Επομένως, όχι μόνο το Goldene αλλά και μια σειρά από υλικά μονοατομικού στρώματος, όπως το γραφένιο, το φωσφορενίου, το germanene και άλλα, πρόκειται να ανοίξουν νέους επιστημονικούς ορίζοντες για μελλοντικές ανακαλύψεις.

Πρέπει να διατηρήσουμε την προσοχή μας σταθερή στις ιδιότητες αυτών των υλικών. Μόνο τότε θα μπορέσουμε να ανακαλύψουμε περισσότερες εφαρμογές. Πρέπει να θυμόμαστε ότι η υψηλή επιφανειακή δραστικότητα των 2D μη-στρωματικών υλικών τα καθιστά χρήσιμους καταλύτες για κρίσιμες αντιδράσεις, όπως η οξείδωση του διοξειδίου του άνθρακα και η μείωση του νερού.

Αυτά τα υλικά έχουν αποδείξει την αξία τους στην αποθήκευση και μετατροπή ενέργειας, βοηθώντας στην ανάπτυξη κυψελών καυσίμου και ηλιακών κυψελών. Στην οπτοηλεκτρονική, οι ιδιότητές τους οδηγούν στην παραγωγή υψηλής ποιότητας εκπομπής φωτός διαδόδων (LED), λέιζερ και αισθητήρων. Οι τοπολογικές τους ιδιότητες μόνωσης βοηθούν επίσης στη δημιουργία μονωτών που αγωγούν το ηλεκτρικό ρεύμα στην επιφάνειά τους, αλλά μονώνουν στο εσωτερικό.

Συνολικά, τα εξελιγμένα υλικά μονοατομικού στρώματος αποτελούν πύλες σε μια πληθώρα ευκαιριών. Στο μέλλον, θα δούμε σίγουρα ευρεία υιοθέτηση!

Κάντε κλικ για τη λίστα των πέντε εταιρειών που ηγούνται της ανάπτυξης της νανοτεχνολογίας.