Grafeenista Goldeneen: Kehittyneet yksiatomiskerrosmateriaalit avaavat uusia ovia tulevaisuuden löytöihin

Meillä ei ole epäilystäkään kullan arvosta mielessämme. Loppujen lopuksi se on suosituin ja vanhin arvon säilyttäjä. Kuitenkin ihmiskunnan saavuttamat tieteelliset edistysaskeleet ovat nyt tuoneet meidät Goldenen kynnykselle. Ja se voi olla pelkkäkin pelin muuttaja. Mutta mikä Goldene on? Miksi tiedeyhteisö on niin innoissaan siitä? Sukelletaanpa syvemmälle.

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

Ensimmäistä kertaa researchers from Linköping University, Sweden, have created sheets of gold whose thickness is equal to a single atom layer. The researchers have named this derivation Goldene. Goldene may come in handy for a host of sophisticated tasks, including carbon dioxide conversion, hydrogen production, and the production of value-added chemicals. 

Shun Kashiwaya:n mukaan, Materials Design Divisionin tutkija yliopistossa:

“If you make a material extremely thin, something extraordinary happens – as with graphene. The same thing happens with gold. As you know, gold is usually a metal, but if a single atom layer is thick, the gold can become a semiconductor instead.”

Miten ‘Goldene’ luotiin?

Keksintö alkoi kolmiulotteisen pohjamateriaalin kehittämisestä, jossa kulta upotettiin titaanin ja hiilen kerrosten väliin. Korkeissa lämpötiloissa ohutkerroksinen titaanisilikonkarbidi korvattiin kullalla, mikä johti titaanikulta‑karbidin löytämiseen. Kyseessä oli kuitenkin sattumanvarainen löytö. Tutkijat pyrkivät päällystämään sähköjohtavan titaanisilikonkarbidin kullalla, jotta se voisi tehdä kontaktin.  

Suorittaakseen työnsä tutkijat hyödynsivät perinteistä menetelmää, joka on ollut osa japanilaista takomista yli sata vuotta. Tämä komponentti tunnetaan nimellä Murakamin reagenssi. Tutkijat käyttivät sitä eri pitoisuuksilla ja eri aikajaksoissa saavuttaakseen lopulta halutun komponentin. 

Kun he lopulta pystyivät tuottamaan kultalevyt halutun yhden atomikerroksen paksuisina, oli tärkeää saada ne vakaita. He käyttivät tensidia, pitkää molekyyliä, joka erottaa ja stabiloi levyt, pinta‑aktiivista ainetta, jotta levyt eivät käpristy. 

Kuvaillessaan lopullista tuotosta ja sen tieteellistä vahvistusta, yksi tutkijoista, Shun Kashiwaya, totesi:

“The golden sheets are in a solution, a bit like cornflakes in milk. Using a type of “sieve,” we can collect the gold and examine it using an electron microscope to confirm that we have succeeded. Which we have.”

Goldenen moninaiset mahdolliset sovellukset

Goldenen mahdolliset sovellukset kattavat laajan kirjon aloja, kuten hiilidioksidin muuntaminen, vedyn tuottava katalyysi, arvokkaiden kemikaalien valikoiva tuotanto, vedyn tuotanto, veden puhdistus, viestintä, ja paljon muuta.

Seuraavassa vaiheessa tutkijat aikovat tutkia mahdollisuutta vähentää näissä sovelluksissa käytetyn kullan määrää ja korvata kulta muilla jalometalleilla. Näillä uusilla yhdisteillä saattaa olla vielä enemmän uusia sovelluksia. 

Vaikka Goldene lupaa avata monia uusia ovia tieteellisten ja teknologisten sovellusten osalta, tieteellisen yhteisön kiinnostus yksikerroksisia atomimateriaaleja kohtaan ei ole uusi ilmiö. 

Kiehtova tapaus: Yksikerroksiset atomimateriaalit: Grafeeni ja muut

Kun puhumme yksikerroksisista atomimateriaaleista, meidän on väistämättä käsiteltävä grafeenia. Se on suosittu koska sen potentiaali. Grafeeni, joka on erotettu grafiitista, hiilen kiteisestä muodosta, on kevyt, joustava ja kestävä. Ohutkerroksisuutensa lisäksi sillä on korkea resistanssi, 200‑kertainen teräksen resistanssi. Silti se on viisi kertaa kevyempi kuin alumiini. Siinä on myös valon absorptiokyky sekä korkea sähkö‑ ja lämmönjohtavuus.  

Grafeenista puhutaan yhä enemmän sen jälkeen, kun tutkijat onnistuivat äskettäin esittelemään first functional graphene semiconductor. Tämä löytö voi johtaa dramaattisiin muutoksiin tietojenkäsittelyn ja elektroniikan maailmassa. 

Vaikka grafeeni saattaa olla suosituin ja laajimmin sovellettava yksikerroksinen atomimateriaali, kategoriassa on useita muita esimerkkejä. 

Yksikerroksisia atomimateriaaleja kutsutaan myös 2D ei‑kerroksisiksi materiaaleiksi. Ne saavat nimensä, koska niiden muodostuminen tapahtuu kemiallisella sidonnalla kolmessa ulottuvuudessa (3D), mikä johtaa tyydyttämättömiin roikkuviin sidoksiin pinnalla ja aiheuttaa korkean aktiivisuuden ja korkean energian pinnan. 

Grafeenin lisäksi esimerkki tällaisesta yksikerroksisesta materiaalista on musta fosfori, joka tunnetaan nimellä fosforieni. Muiden ei‑kerroksisten materiaalien joukossa on esimerkkejä silikonista ja germanenista. 

Kerrosriippuvien ominaisuuksiensa, kerrosreunan vaikutusten ja muuttuvien energiakaavioiden vuoksi nämä materiaalit usein osoittavat ainutlaatuisen ominaisuussarjan reunillaan. Niitä voidaan muokata venytyksellä tai sovelletuilla sähkökentillä, mikä antaa niille säätöominaisuuksia. 

Metallikalkogeenit, metallinoksidit, III‑V puolijohteet ja orgaaninen‑inorgaaniset perovskiitit kuuluvat yleisimpiin yksikerroksisiin atomimateriaaleihin tai kahdenulotteisiin ei‑kerroksisiin materiaaleihin. 

Katsotaanpa lyhyesti joitakin todellisia esimerkkejä tällaisista materiaaleista. Esimerkkejä metallikalkogeenista ovat molybdeeni-disulfidi (MoS2), volframidisulfidi (WS2) ja volframidiseleniidi (WSe2), kun taas indiumoksidi (In2O3), tina‑oksidi (SnO2) ja sinkki‑oksidi (ZnO) ovat tyypillisiä metallinoksideja. 

III‑V puolijohteet saavat nimensä siitä, että ne koostuvat ryhmän III alkuaineesta, kuten alumiinista, galliumista tai indiumista, joka on sidottu ryhmän V alkuaineeseen, kuten fosforiin, arseeniin tai antimooniin. Galliumarsenidi ja indiumfosfaatti ovat esimerkkejä III‑V puolijohteista. 

Orgaanisen‑inorgaanisten perovskiittien esimerkkejä ovat metyyliammonium‑lyijydi‑iodidi (MAPbI3) ja formamidium‑lyijydi‑iodidi (FAPbI3).

Nämä materiaalit voisivat löytää useita sovelluksia. Yritykset rakentavat ratkaisuja niiden pohjalta. Seuraavassa osiossa tarkastelemme niitä. 

#1. Haydale Graphene Industries

Grafeenin inertti luonne teki sen omaksumisesta vaikeaa. Haydale Graphene Industries, ratkaistakseen ongelman, kehitti powder‑in, powder‑out -prosessin, joka pystyi saumattomasti ylittämään plasmafunktionalisoinnin haasteen. 

Tämä prosessi, joka vapauttaa grafeenin potentiaalin, sai nimekseen Haydale HDPlas, kuiva, puhdas ja ympäristöystävällinen menetelmä, joka parantaa grafeenia ja muita nanomateriaaleja antamalla niille tarvittavan mekaanisen vahvuuden sekä parannetun sähkö‑ ja lämmönjohtavuuden. 

Haydale on kehittänyt monia mielenkiintoisia grafeenipohjaisia ratkaisuja, mukaan lukien räätälöitävät grafeenimustikkeet biolääketieteellisiin laitteisiin, joustaviin elektroniikkaratkaisuihin, lämmityselementteihin ja puettaviin teknologioihin. Se on myös toimittaja funktionaloidulle boorinisilikatille, joka tunnetaan nimellä valkoinen grafeeni. Tämä synteettinen keraaminen materiaali on myrkyttömänä saatavilla kiinteässä ja jauhemuodossa. Sen ominaisuuksiin kuuluvat eristyskyky, vahvuus, paino ja sähkönjohtavuus. 

Haydalen portfolio funktionaloitua grafeenia ja nanomateriaalilisäaineita osoittautuu myös tehokkaaksi elastomeerituotteiden valmistuksessa. Näitä voidaan käyttää pyörä‑ ja tieajoneuvon renkaissa, jalkineiden kumipohjissa, tiivisteissä ja paketeissa. Haydalen piidioksidigrafeenituotteita käytetään keramiikka‑polymeeri pinnankäsittelyyn suojamaan betonituotteita. 

Grafeenin avulla Haydale on myös kehittänyt hyödyllisiä komposiitteja, termoplastisia materiaaleja ja aurinkokäyttöisiä leikkaustyökaluja. 

Äskettäin Haydale (AIM: HAYD) ilmoitti väliaikaisesta tuloksestaan tilikaudelle, joka päättyi 31. joulukuuta 2023 (“FY23”). Raportin mukaan sen konsernin liikevaihto kasvoi 38 % 2,47 miljoonaan puntaan (FY23 H1 1,78 miljoonaa puntaa).

#2. Siemens

Toinen erittäin kehittynyt grafeenifolien käyttötapa voidaan nähdä Siemensin rakentamassa syklotroneissa. Ryhmä tutkijoita käytti grafeenifolijoita uutereikittävänä (stripper) foliona 11‑MeV Siemens Eclipse -syklotronissa. 

Nämä foliat osoittivat poikkeuksellisen korkean lämmönjohtavuuden verrattuna hiileen ja merkittävän mekaanisen vahvuuden. Niiden käyttöikä oli yli 16 000 PA*H. Grafeenifolien käyttö johti myös merkittävään läpäisytekijän kasvuun – säteen virran suhde uutereikittävään folioon ja kohteeseen – joka ylitti 90 %. 

Koe osoitti, miten yksiatomiskerroksiset grafeenifolat voivat tehokkaasti kilpailla muiden hiilifolien kanssa, joita tavallisesti käytetään uutereikittävinä folioina. 

Siemens on maailmanlaajuisesti tunnettu korkeatasoisten, kehittyneiden ja teknologiaintensiivisten tuotteiden valmistajasta. Tällaisen yrityksen käyttäessä yksikerroksisia atomimateriaaleja folioina osoittaa kategorian potentiaalin. 

FY 2023, Siemens earned a revenue of 19.66 billion Euros, a notable increase from 17.39 billion Euros recorded in 2022. 

Lisää tutkimuksia yksiatomiskerrosmateriaaleista

Recent research showed that, in addition to materials like Goldene or Graphene, monolayer Black Phosphorus, also known as Phosphorene, offers distinct advantages in sensing applications. Scientists and researchers attribute these unique benefits to Phosphorene’s “puckered” lattice structure, which imparts the material with a larger surface-to-volume ratio than graphene and transition metal dichalcogenides (TMDCs). Phosphorene is versatile in its applications and can be used in various sensing scenarios, including gas sensing, humidity sensing, photo-detection, bio-sensing, and ion-sensing.

Phosphorene also shows considerable promise in electronics and optoelectronics. Scientific publications have revealed that its intrinsically anisotropic electronic, transport, optoelectronic, thermoelectric, and mechanical properties differ markedly from those of graphene and transition-metal dichalcogenides. The ease of fabrication and novel properties of phosphorene have spurred the design and demonstration of new nanodevices. 

Another study pointed to the benefits of combining graphene and phosphorene. To delve deeper into how this combination could prove useful, we look into the comparative standings of sodium‑ion batteries as an alternative to lithium‑ion batteries. While sodium‑ion batteries exhibit performances comparable to their lithium‑ion counterparts, the challenge lies in developing more viable anode materials. And this is where the graphene‑phosphorene combination comes into play. 

In a scientific experiment, the researchers demonstrated its potential. A hybrid material made out of a few phosphorene layers sandwiched between graphene layers could show a specific capacity of 2,440 mA h g−1 (calculated using the mass of phosphorus only) at a current density of 0.05 A g−1 and an 83% capacity retention after 100 cycles while operating between 0 and 1.5 V. 

The researchers used in situ transmission electron microscopy and ex‑situ X‑ray diffraction techniques to explain the large capacity of the anode they developed. They developed it through a dual mechanism of sodium ions intercalating along the x‑axis of the phosphorene layers, followed by the formation of a Na3P alloy.

Another single‑atom layer material that has successfully captured the scientific community’s imagination is Germanene. Interest in Germanene is primarily for its optical properties. The relevant calculation has shown that the Germanene sheet has significant light absorption in the solar spectrum and shows optical anisotropy. 

Germanene is unique because it is a semiconductor with zero band gap and linear band dispersion around the K point. While the band gap opening occurs in the presence of bias voltage, it increases linearly with the increasing bias voltage strength. 

Therefore, not just goldene but a host of single‑atom layer materials, including graphene, phosphorene, germanene, and more, are about to open up new scientific frontiers for future discoveries. 

We must keep our focus steady on the properties of these materials. Only then will we be able to discover more applications. We must remember that the high surface activity of 2D non‑layered materials makes them useful catalysts for crucial reactions, such as the oxidation of carbon dioxide and the reduction of water. 

These materials have proven their worth in energy storage and conversion by helping to devise fuel cells and solar cells. In optoelectronics, their properties result in the production of high‑quality light‑emitting diodes, lasers, and sensors. Their topological insulation properties also help make insulators that conduct electricity on their surface but insulate in bulk.

Altogether, advanced single‑atom layer materials are gateways to a multitude of opportunities. In the future, we will witness widespread adoption for sure!

Click for the list of five companies leading the development of nanotechnology.