Materiaalitiede
2D-materiaalit, kuten grafiini, avaavat uusia rajoja materiaalitieteessä
Satunnainen löytö
Useimmat fyysiset esineet koostuvat 3D-materiaaleista. Kiinteät materiaalit muodostuvat usein joko järjestäytyneistä atomeista ennalta määrätyissä 3D-rakenteissa, jotka muodostavat metalleja ja kiteitä, tai epäjärjestäytyneistä atomeista, jotka muodostavat muita aineita.
Pitkään ajatettiin, että tämä oli ainoa tapa, jolla aine voisi järjestyä kiinteiden kohteiden muodostamiseksi. Mutta 20 vuotta sitten (2004) kaksi tutkijaa Manchesterin yliopistosta, Andre Geim ja professori Kostya Novoselov, löysivät 2D-materiaalin, grafiinin. He löysivät sen lähes vahingossa huomattuaan, että yksinkertainen teippi, jonka päälle asetettiin grafiittia (mikä tekee lyijykynän kärjestä), loi yhden atomikerroksen hiiltä.
Tämä toi heille myöhemmin Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 2010.
Grafiini koostuu hiiliatomeista, mutta sen sijaan että ne olisivat epäjärjestäytyneessä muodossa (grafiitti) tai järjestäytyneessä kiteessä (timantit), grafiinissa hiiliatomit ovat linjassa yhden atomikerroksen tasossa, kuin erittäin ohut paperiarkki. He havaitsivat myös, että on mahdollista muodostaa 1- tai nolladimensionaalisia materiaaleja, kuten nanotubeja tai kvanttipisteitä.
Lähde: Ossila
Mikä tekee 2D-materiaaleista erityisiä, on se, että tämä ainutlaatuinen rakenne tuo mukanaan ainutlaatuisia fysikaalisia ominaisuuksia.
Esimerkiksi grafiini on erittäin johtava, sillä elektronit voivat kiertää siinä 1/300 valon nopeudesta. Se on myös erittäin hyvä lämmönjohtaja ja sillä on korkein vetolujuus kaikista materiaaleista, vaikka se on optisesti läpinäkyvä ja absorboi vain 2 % saapuvasta näkyvästä valosta.
Lähde: Visual Capitalist
Paljon enemmän kuin grafiini
Grafiinin ainutlaatuiset ominaisuudet tekivät siitä heti tuhansien tutkijoiden kohteena, jotka halusivat paljastaa sen erityiset sähköiset, kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet.
Kuitenkin alettiin pohtia, voisiko muut kuin hiili luoda 2D-materiaaleja. Vastaus oli kyllä, teoreettisten ennusteiden mukaan satoja erilaisia potentiaalisia 2D-materiaaleja on mahdollisia. Merkittävimpien ja tutkituimpien grafiinin ohella 2D-materiaalien joukossa voimme mainita muutaman:
- Borophene, valmistettu boori-atomista, löydetty vasta vuonna 2015.
- Goldene, valmistettu kulta-atomista, tuotettu ensimmäisen kerran vuonna 2024.
- Silicene, valmistettu piidi-atomista.
- Phosphorene, valmistettu fosfori-atomista.
Vaikuttaa myös siltä, että 2D-materiaalien ei tarvitse koostua vain yhdestä puhtaasta alkuaineesta – esimerkiksi molybdeendisulfidin (MoS2) tai piidi-nitriitin (Si3N4) yksikerroksia.
Muita atomeja voidaan myös liittää monikerrokseen, jolloin syntyy “karhea” pinta, kuten kun vetyä lisätään grafiinin hiiliatomeihin, jolloin muodostuu graphane.
Tekijä Edgar181 (talk) – Oma työ, Julkinen domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Koska materiaalien monimuotoisuus on niin suuri, tutkijat ovat vasta alkamassa paljastaa 2D-materiaalien potentiaalia.
Sovellukset – perustavanlaatuiset näkökohdat
Yleisesti ottaen 2D-materiaaleja tekee ainutlaatuisiksi se, että niiden erittäin järjestäytynyt atomirakenne mahdollistaa elektronien ainutlaatuisen konfiguraation ja tiukan sidoksen atomien välillä.
Tämä puolestaan selittää poikkeuksellisen sähkönjohtavuuden (elektronien virtaus), lämmönjohtavuuden (energiatasojen siirtyminen atomien välillä) ja fyysisen lujuuden (kovalenttiset sidokset atomien välillä elektronien vaihtelun vuoksi).
2D-rakenne antaa näille materiaaleille myös suurimman spesifisen pinta-alan (pinta-ala, jossa vuorovaikutus on mahdollista) kaikista tunnetuista materiaaleista. Tämä tekee niistä erinomaisia ehdokkaita uusien katalyyttien muodoille tai yleisesti kemiallisten ja sähköisten reaktioiden edistämiseen.
Superjohtimet
Koska elektronit virtaavat lähes täysin vapaasti 2D-materiaalien pinnalla, niitä on pidetty hyvänä ehdokkaana superjohtavuuteen.
Superjohtavuus on ilmiö, jossa materiaali pystyy johtamaan sähköä ilman vastusta.
Tämä tarkoittaa, että ei ole energiahäviöitä, mikä voisi olla erittäin hyödyllistä sähkön siirrossa pitkiä matkoja, ja lisäksi virta, joka kulkee materiaalin läpi, ei tuota lämpöä. Tämä tekee siitä uskomattoman hyödyllisen monenlaisissa sovelluksissa, tietotekniikasta sähköautoihin ja lähes kaikissa sähköä käyttävissä teknologioissa.
Teoriassa superjohtavuus, erityisesti huoneenlämpöinen superjohtavuus, voisi mahdollistaa ydinfuusion hallinnan, alusten propulsio sähköllä, edulliset ja ultra-nopeat maglev-junat, massaveturit, joilla päästä kiertoradalle hyvin pienellä kustannuksella, jne. (Olimme tarkemmin tutustuneet huoneenlämpöisten superjohtimien kysymykseen omassa artikkelissamme).
Monet 2D-materiaalit voivat osoittaa superjohtavuutta oikeissa olosuhteissa (esim. lämpötila, paine, jne.), mukaan lukien:
- Alkeismetallien ultraohuita kalvot.
- Kupraatit.
- Perovskiittihapettimet.
- Harvinaisten maa-alkalien raskaat fermioni-yhdisteet.
- Grafiini.
- Rauta-seleniidi oksidipinnoilla.
- Orgaaniset johtimet metallipinnoilla.
Puolijohteet
Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka voivat valikoivasti vaihtaa johtavasta tilasta (joka siirtää elektroneja) eristävään tilaan (joka estää elektronit). Tämä on perusperiaate, jonka ympärille piisirun transistorit ja muut laskentaelementit on rakennettu, jossa 0 tarkoittaa sähkövirran puutetta ja 1 virran läsnäoloa.
Mitä nopeammin puolijohde voi vaihtaa tilaansa, sitä nopeammin siihen liittyvä laskenta voi tapahtua.
Grafiini
Aluksi grafiinia tutkivat tutkijat ajattelivat sen voivan korvata piin puolijohteissa. Valitettavasti se puuttuu keskeinen elektroninen ominaisuus, jota kutsutaan “energiavälille”.
Energiaväli määrittää, katsotaanko materiaali metalliksi (johtaa sähköä), eristeeksi (estää sähköä) vai puolijohteeksi (joka voi vaihtaa johtavan ja eristävän tilan välillä).
Lähde: Energy Education
Ongelma on, että grafiinilla ei ole lainkaan energiaväliä, mikä estää sen käyttöä puolijohteena.
Tämä oli totta, kunnes vuonna 2024 tutkijat ilmoittivat onnistuneensa luomaan maailman ensimmäisen grafiinista valmistetun puolijohteen.
“Meillä on nyt äärimmäisen kestävä grafiini-puolijohde, jonka liikkuvuus on kymmenen kertaa suurempi kuin piillä, ja jolla on myös ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita piillä ei ole.
“Meidän täytyi oppia, miten materiaalia käsitellään, miten sitä parannetaan yhä enemmän, ja lopulta, miten ominaisuuksia mitataan. Se kesti erittäin, erittäin pitkään.”
Goldene
Toinen kiinnostava 2D-materiaali on goldene, periaatteessa grafiini, jossa hiiliatomit on korvattu kulta-atomilla.
Kulta on jo yleisesti käytössä siruissa ja tietokonekomponenteissa sen poikkeuksellisten ominaisuuksien, kuten hapettumiskestävyyden ja erittäin korkean sähkönjohtavuuden, ansiosta.
Vuoden 2024 ensimmäisen goldene-monoerroksen tuotannon myötä, puolijohdeominaisuudet saattavat lisätä listaan.
“Jos teet materiaalin äärimmäisen ohueksi, tapahtuu jotain poikkeuksellista – kuten grafiinin kanssa. Sama tapahtuu kullan kanssa. Kuten tiedät, kulta on yleensä metalli, mutta jos kerros on yhden atomikerroksen paksuinen, kulta voi muuttua puolijohteeksi.”
Orgaaniset puolijohteet
Orgaaniset molekyylit koostuvat hiiliketjusta, johon liittyvät muut alkuaineet, tavallisesti happi, typpi, rikki jne.
Äskettäin tutkijat havaitsivat, että he voivat pakottaa orgaaniset polymeerit pysymään 2D-konfiguraatiossa ja estää useiden kerrosten kasaantumisen päällekkäin.
Lähde: POSTECH
He käyttivät sitten vaihetta, jota kutsutaan p-tyypin dopingiksi, yleisesti käytettyä puolijohteiden tuotannossa.
Tämä tarkoittaa elementtien lisäämistä puolijohdemateriaaliin sen johtavuuden parantamiseksi.
Lähde: Wikipedia by VectorVoyager
Tuloksena syntynyttä materiaalia tutkijat ovat kuvailleet “erinomaisella sähkönjohtavuudella”.
Joten vaikka grafiinin kaltaiset materiaalit olisivatkin massatuotannossa liian vaikeita puolijohdekonfiguraatiossa, tai goldene liian kalliita, orgaaniset puolijohteet todennäköisesti mahdollistavat 2D-puolijohteiden käyttöönoton lähitulevaisuudessa.
Supermateriaaleja
Vaikka sähköiset ominaisuudet ovat tutkijoiden pääasiallinen kiinnostuksen kohde 2D-materiaaleissa, niiden fysikaaliset ominaisuudet ovat yhtä vaikuttavia.
Esimerkiksi grafiini on 200 kertaa vahvempi kuin teräs saman massan kohdalla. Grafiinia voitaisiin integroida betoniin, kuten terästä panssaroituun betoniin, jolloin betoni olisi 2,5 kertaa vahvempi ja 4 kertaa vähemmän vesihöyryä läpäisevä. Lisäksi grafiini ei ruostu kuten teräs, mikä tekee grafiini-vahvistetusta betonista vähemmän alttiin “betonin mätännykselle”, jonka aiheuttaa raudan hapettuminen, rajoittaen merkittävästi betonirakenteiden käyttöikää.
Grafiinin ja muiden 2D-materiaalien äärimmäinen kestävyys + kevyt paino voitaisiin myös hyödyntää parempien kehonpanssareiden valmistuksessa.
Toinen sovellusalue voi olla lämmönhallinta. Esimerkiksi tutkijat ovat äskettäin havainneet, että voidaan valmistaa materiaali, joka on sekä eristävä että jäykkä (harvinainen yhdistelmä) luomalla 2D-hybridi orgaaninen-epäorgaaninen perovskiitteja.
2D-materiaalit, kuten grafiini ja heksagoninen boori-nitriitti, voitaisiin myös käyttää lämmön hajottamiseen elektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa.
Lopuksi kehittyneitä ultra-kestäviä 2D-materiaaleja voitaisiin käyttää futurististen infrastruktuurien, kuten esimerkiksi avaruusnostimien, toteuttamiseen. Tällaiset askeleet ovat kuitenkin realistisia vasta, kun olemme keksineet taloudellisen tavan tuottaa näitä materiaaleja grammoina tai kiloina, eikä miljoonien tonnien mittakaavassa.
Biotekniikka
Erittäin korkea pinta-ala, äärimmäisen ohut kerros ja ainutlaatuiset kemialliset ominaisuudet tekevät 2D-materiaaleista hyviä ehdokkaita moniin erikoissovelluksiin lääketieteen ja biotekniikan aloilla.
Tämä sisältää lääkkeiden jakelun, kuvantamisen, kudosinsinöörin, biosensorit ja kaasusensorit.
Toinen tekijä 2D-materiaalien nousussa biologisissa sovelluksissa on äskettäiset löydökset, jotka antavat niille ominaisuuden nimeltä kireettisyys.
Kireettisyys on kemian termi, joka tarkoittaa, että molekyyleillä on vasen/oikea symmetria. Kireettisyys on tärkeä ominaisuus orgaanisissa molekyyleissä, esimerkiksi aminohapot, jotka ovat proteiinien rakennuspalikoita.
Lähde: UC Santa Barbara
Molekyyleissä kireettisyys voi saada biologiset tai kemialliset yksiköt olemaan kahdessa versiossa, joita ei voida täydellisesti sovittaa yhteen, kuten vasen ja oikea käsine. Ne voivat peilata toisiaan tarkasti, mutta vasen käsine ei koskaan istu oikeaan käteen yhtä hyvin kuin se istuu vasempaan käteen.
Pr. Dipanjan Pan
Äskettäin tutkijat synteettisoivat borofeni-levitteitä, samankaltaisesti kuin borofeni-fragmentit kulkeutuisivat verenkiertoon.
He havaitsivat, että borofenin eri versioiden kireettiset ominaisuudet vaikuttivat solukalvoihin eri tavoin ja pääsivät soluihin eri tavalla.
Tämä avaa tien räätälöityjen borofeni-rakenteiden suunnitteluun sovelluksiin, kuten “korkeamman resoluution lääketieteellisen kuvantamisen kehittäminen kontrastilla, joka pystyy tarkasti seuraamaan solujen vuorovaikutuksia, tai parempi lääkkeiden jakelu tarkkojen materiaali-soluvuorovaikutusten avulla.”
Parempi ymmärrys siitä, miten borofenin rakenne vuorovaikuttaa elävien solujen kanssa, auttaa myös selventämään sen turvallisuusprofiilia.
Vaikka borofenin terveysprofiilia arvioidaan edelleen, näyttää siltä, että grafiinia voidaan jopa turvallisesti hengittää ilman akuutteja riskejä ihmisen terveydelle.
Ja mitä bioyhteensopivampia ne ovat, sitä todennäköisemmin niitä voidaan käyttää biologisten antureiden kehittämiseen tai nanorobottien virransyöttöön verenkiertomme sisällä.
Rajoitukset
Valmistus mittakaavassa
Jopa vakiintunein ja ensimmäisenä löydetty 2D-materiaali, grafiini, on edelleen pitkälti laboratorioiden ja startup-yritysten hallussa.
Tämä johtuu siitä, että sen massatuotanto on edelleen haastavaa. Pienten määrien valmistaminen on melko helppoa, mutta suurten määrien tuottaminen puoliksi automatisoidusti ei ole.
Teippi, joka asetettiin grafiittikappaleelle, riitti grafiinin löytämiseen. Mutta paljon monimutkaisempia menetelmiä, kuten kemiallinen höyrykerrostus (CVD), vaaditaan massatuotantoon.
Tämä on hitaasti muuttumassa todellisuudeksi, esimerkiksi hapettoman CVD-prosessin julkaisu, joka tuottaa korkealaatuista grafiinia.
Liimaaminen
Toinen ongelma 2D-materiaaleissa on, että niiden ohuuden ja ainutlaatuisten kemiallisten ominaisuuksien vuoksi ne voivat olla vaikeita liimata muihin materiaaleihin.
Se vaatii usein erikoistekniikoita, jotta grafiinin kerros tarttuu tietokonepiireihin, virtalähteeseen tai lääketieteelliseen laitteeseen.
Tämä voi olla paljon aikaa vievämpää ja resurssien kuluttavampaa kuin vähemmän tehokkaat, mutta helpommin toteutettavat vaihtoehdot.
Kustannukset
Koska toistaiseksi suurin osa tuotantomenetelmistä ja sovelluksista olemassa oleviin laitteisiin on pienimuotoista tai räätälöityä, 2D-materiaalit ovat pysyneet melko kalliina.
Todellinen hinta voi vaihdella suuresti puhtauden mukaan, esimerkiksi grafiini vaihtelee $20–2 000/kg.
Tämä tarkoittaa, että vaikka halvin hinta otettaisiin, grafiini on silti 20‑kertainen kalliimpi kuin teräs. Lisäksi, jotta saavutetaan hyväksyttävä suorituskyky teräksen korvaamisessa, todennäköisesti vaaditaan enemmän kuin mahdollisimman alhainen puhtaus.
2D-materiaaliyritykset
2D-materiaalialue kehittyy erittäin nopeasti, uusia vaihtoehtoja kuten goldenea löydetään säännöllisesti, ja saadaan uutta tietoa siitä, miten optimoida “vanhoja” materiaaleja, kuten muuttaa grafiini puolijohteeksi.
Nämä tuotteet todennäköisesti muodostuvat merkittäväksi taloussektoriksi vasta, kun ne tuotetaan mittakaavassa teollisten menetelmien avulla.
Tähän mennessä edistyksellisin ja parhaiten dokumentoitu menetelmä on CVD, mikä antaa merkittävän edun CVD-asiantuntijoille, jotka voivat kaapata suuren osan 2D-materiaalien valmistuksen arvosta.
1. Veeco
(VECO )
Veeco on ollut merkittävä laitteiden toimittaja puolijohdeteollisuudelle perustamisestaan vuonna 1945 lähtien. Sen koneita käytetään kehittyneiden EUV-sirujen valmistukseen, 5G-antennien, kiintolevyjen, LIDARin, LEDien, sähköelektroniikan sähköautoille jne. tuottamiseen.
Lähde: Veeco
Yhtiön pääteknologinen fokus on sama CVD-prosessi, jota käytetään borofenin tuotannossa, tarkemmin sanottuna MOCVD (metalli-organinen kemiallinen höyrykerrostus).
Lähde: Veeco
Johtavana toimijana tässä puolijohteiden niche-segmentissä Veeco voi olla hyvä ehdokas panostaa CVD-sovellusten kasvuun.
Tämä kasvu voi johtua grafiinin, volframin ja borofenin kasvavasta käytöstä, kun opimme yhä paremmin manipuloimaan materiaalia atomitasolla.
Se hyötyy myös todennäköisesti massiivisista digitalisaation, tekoälyn ja sähköistymisen trendeistä, riippumatta siitä, käyttääkö se pian paljon 2D-materiaaleja vai ei.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG on grafiinin tuottaja, joka on keskittynyt tuotevalikoimassaan jo todistettuihin grafiini-pohjaisiin tuotteisiin, kuten lämpökerroksiin ja voiteluaineisiin.
Tämä tekee GMG:stä hyvän vaihtoehdon sijoittajille, jotka etsivät suoraa altistusta grafiinin markkinoille ja yritystä, joka on jo aktiivinen grafiinin massatuotannossa ja nykyisen tuotantomenetelmän parantamisessa.
Lähde: GMG
Lisäksi mahdollisia sovelluksia voisivat olla grafiini-puolijohteiden luominen (katso “Grafiini-puolijohteet – Ovatko ne vihdoin täällä?”), tai jopa huoneenlämpöiset superjohtimet. Grafiini-kerroksia voitaisiin käyttää myös akuissa ja vedyn paineastiateknologiassa.
Lähde: GMG
GMG tuottaa grafiinia metaanista + vedystä, mikä eroaa useimmista kilpailijoista, jotka tuottavat sen grafiittin luonnonvarastoista. Tämä mahdollistaa korkeamman puhtauden, paremman skaalautuvuuden ja edullisen tuotannon.
Yhtiö avasi ensimmäisen tuotantolaitoksensa Australiassa vuonna 2023, jonka kapasiteetti on jopa 1 miljoona litraa lämpövaihtimen pinnoitustuotantoa vuodessa.
Seuraava askel yhtiölle on sen akkuteknologia, joka perustuu grafiini-alumiini-ioniin, jonka energiatihkitys on 290 Wh/kg, 60‑kertainen latausnopeus litiumioniakkuja verrattuna, 3‑kertainen akunkesto ja parempi paloturvallisuusprofiili.
Lähde: GMG
Tämä siirtyminen akkumarkkinoille voi olla suuri riski GMG:lle, mutta se antaa myös ainutlaatuisen näkökulman tulevaisuuden markkinoihin, jotka voisivat avautua grafiinin osalta, mukaan lukien sähköautot ja muut energiaan liittyvät sovellukset.
