Grafeenista Goldeneen: Kehittyneet yksiatomiskerrosmateriaalit avaavat uusia ovia tulevaisuuden löytöihin

Kullan arvosta ei ole epäilystäkään. Se on tunnetuin ja vanhin arvonsäilyttäjä. Tieteellinen kehitys on kuitenkin nyt tuonut ulottuvillemme goldenen, joka saattaa mullistaa monia aloja. Mitä goldene on, ja miksi tiedeyhteisö on siitä niin innostunut? Tarkastellaan asiaa lähemmin.

Goldene: vain yhden atomikerroksen paksuisia kultalevyjä

Ensimmäistä kertaa Ruotsin Linköpingin yliopiston tutkijat ovat ensimmäistä kertaa luoneet kultalevyjä, jotka ovat vain yhden atomikerroksen paksuisia. Tutkijat antoivat materiaalille nimen goldene. Sitä voidaan mahdollisesti käyttää monissa vaativissa tehtävissä, kuten hiilidioksidin muuntamisessa, vedyn tuotannossa ja lisäarvoa tuottavien kemikaalien valmistuksessa.

Yliopiston materiaalinsuunnittelun yksikössä työskentelevän tutkijan Shun Kashiwayan mukaan:

”Kun materiaalista tehdään äärimmäisen ohutta, tapahtuu jotakin poikkeuksellista, kuten grafeenin tapauksessa. Sama pätee kultaan. Kuten tiedämme, kulta on yleensä metalli, mutta yhden atomikerroksen paksuisena se voi muuttua puolijohteeksi.”

Miten ‘Goldene’ luotiin?

Keksintö alkoi kolmiulotteisesta pohjamateriaalista, jossa kulta oli titaani- ja hiilikerrosten välissä. Korkeassa lämpötilassa kerroksellisen titaanipiikarbidin pii korvautui kullalla, jolloin syntyi titaanikultakarbidia. Löytö oli kuitenkin sattuma: tutkijoiden tavoitteena oli päällystää sähköä johtavaa titaanipiikarbidia kullalla sähköisen kontaktin muodostamiseksi.

Työssään tutkijat hyödynsivät perinteistä menetelmää, jota on käytetty japanilaisessa taontatyössä yli sata vuotta. Siinä käytetään Murakamin reagenssia. Tutkijat kokeilivat eri pitoisuuksia ja käsittelyaikoja saadakseen lopulta aikaan halutun materiaalin. 

Kun yhden atomikerroksen paksuiset kultalevyt oli saatu valmistettua, ne piti vakauttaa. Tutkijat käyttivät pinta-aktiivista ainetta, jonka pitkät molekyylit erottavat ja vakauttavat levyt sekä estävät niitä käpristymästä.

Tutkija Shun Kashiwaya kuvasi lopputulosta ja sen tieteellistä varmistamista seuraavasti:

”Kultalevyt ovat liuoksessa vähän kuin maissihiutaleet maidossa. Eräänlaisen siivilän avulla voimme kerätä kullan ja tutkia sitä elektronimikroskoopilla varmistaaksemme, että olemme onnistuneet. Ja olemmehan me.”

Goldenen moninaiset mahdolliset sovellukset

Goldenen mahdollisia sovelluksia ovat hiilidioksidin muuntaminen, vedyn tuotantoa edistävä katalyysi, arvokkaiden kemikaalien valikoiva valmistus, vedyn tuotanto, vedenpuhdistus, viestintä ja monet muut alat.

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. 

Yhden atomikerroksen materiaalien kiehtova maailma: grafeeni ja muut

Yhden atomikerroksen materiaaleista puhuttaessa grafeenia ei voi sivuuttaa. Se on suosittu suuren potentiaalinsa vuoksi. Grafiitista eli hiilen kiteisestä muodosta erotettu grafeeni on kevyttä, joustavaa ja kestävää. Ohuutensa lisäksi sen lujuus on 200-kertainen teräkseen verrattuna. Silti se on viisi kertaa alumiinia kevyempää. Se myös absorboi valoa sekä johtaa hyvin sähköä ja lämpöä.

Grafeeni on saanut lisää huomiota sen jälkeen, kun tutkijat äskettäin esittelivät ensimmäisen toimivan grafeenipuolijohteen. 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. 

Yhden atomikerroksen materiaaleja kutsutaan myös kaksiulotteisiksi ei-kerroksellisiksi materiaaleiksi. Nimitys viittaa siihen, että niiden kemialliset sidokset muodostuvat kolmessa ulottuvuudessa. Pintaan jää tyydyttymättömiä vapaita sidoksia, jotka tekevät siitä erittäin aktiivisen ja korkeaenergisen.

Grafeenin lisäksi yksi esimerkki yksikerroksisesta materiaalista on musta fosfori eli fosforeeni. Muita esimerkkejä ovat siliseeni ja germaneeni.

Kerroksista riippuvien ominaisuuksien, reunavaikutusten ja vaihtelevien energiakaavioiden vuoksi näiden materiaalien reunoilla esiintyy usein ainutlaatuisia ominaisuuksia. Niitä voidaan muokata venyttämällä tai ulkoisilla sähkökentillä, mikä mahdollistaa ominaisuuksien säätämisen.

Metallikalkogenidit, metallioksidit, III–V-puolijohteet ja orgaanis-epäorgaaniset perovskiitit kuuluvat yleisimpiin yhden atomikerroksen materiaaleihin eli kaksiulotteisiin ei-kerroksellisiin materiaaleihin.

Katsotaanpa lyhyesti joitakin todellisia esimerkkejä tällaisista materiaaleista. Metallikalkogenideja ovat esimerkiksi molybdeenidisulfidi (MoS2), volframidisulfidi (WS2) ja volframidiselenidi (WSe2). Tyypillisiä metallioksideja ovat indiumoksidi (In2O3), tinaoksidi (SnO2) ja sinkkioksidi (ZnO).

III–V-puolijohteet ovat saaneet nimensä siitä, että ryhmän III alkuaine, kuten alumiini, gallium tai indium, on sitoutunut ryhmän V alkuaineeseen, kuten fosforiin, arseeniin tai antimoniin. Esimerkkejä ovat galliumarsenidi ja indiumfosfidi.

Orgaanis-epäorgaanisia perovskiitteja ovat esimerkiksi metyyliammoniumlyijyjodidi (MAPbI3) ja formamidiniumlyijyjodidi (FAPbI3).

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

#1. Haydale Graphene Industries

Grafeenin inertti luonne vaikeutti sen käyttöönottoa. Haydale Graphene Industries kehitti ongelman ratkaisemiseksi jauhetta käsittelevän powder-in, powder-out-prosessin, joka vastaa plasmafunktionalisoinnin haasteisiin.

Grafeenin potentiaalia hyödyntävä prosessi sai nimen Haydale HDPlas. Se on kuiva, puhdas ja ympäristöystävällinen menetelmä, joka parantaa grafeenin ja muiden nanomateriaalien mekaanista lujuutta sekä sähkön- ja lämmönjohtavuutta.

Haydale on kehittänyt monia kiinnostavia grafeenipohjaisia ratkaisuja, kuten räätälöitäviä grafeenimusteita biolääketieteellisiin laitteisiin, joustavaan elektroniikkaan, lämmityselementteihin ja puettavaan teknologiaan. Se toimittaa myös funktionalisoitua boorinitridiä, jota kutsutaan valkoiseksi grafeeniksi. Tätä myrkytöntä synteettistä keraamista materiaalia on saatavana kiinteänä ja jauheena. Sen ominaisuuksiin kuuluvat eristävyys, lujuus, paino ja sähkönjohtavuus.

Haydalen funktionalisoitu grafeeni ja nanomateriaalilisäaineet soveltuvat myös elastomeerituotteiden valmistukseen. Niitä voidaan käyttää polkupyörien ja moottoriajoneuvojen renkaissa, jalkineiden kumipohjissa ja tiivisteissä. Haydalen piidioksidi-grafeenituotteita käytetään betonia suojaavissa keraami-polymeeripinnoitteissa.

Grafeenin avulla Haydale on kehittänyt myös hyödyllisiä komposiitteja, kestomuoveja ja aurinkoenergialla toimivia leikkaustyökaluja.

Haydale (AIM: HAYD) julkisti äskettäin osavuosituloksensa 31. joulukuuta 2023 päättyneeltä jaksolta (”FY23”). Raportin mukaan konsernin liikevaihto kasvoi 38 % ja oli 2,47 miljoonaa puntaa (FY23 H1: 1,78 miljoonaa puntaa).

#2. Siemens

Toinen pitkälle kehitetty grafeenikalvojen käyttökohde löytyy Siemensin syklotroneista. Tutkijaryhmä käytti grafeenikalvoja elektronien irrotuskalvoina 11 MeV:n Siemens Eclipse -syklotronissa.

Kalvojen lämmönjohtavuus oli poikkeuksellisen hyvä hiileen verrattuna, ja niiden mekaaninen lujuus oli huomattava. Käyttöikä ylitti 16 000 PA*H. Grafeenikalvojen käyttö kasvatti myös huomattavasti läpäisysuhdetta eli kohteeseen ja irrotuskalvolle saapuvien sädevirtojen suhdetta, joka ylitti 90 %.

Koe osoitti, että yhden atomikerroksen paksuiset grafeenikalvot voivat kilpailla tehokkaasti muiden tavallisesti elektronien irrotukseen käytettävien hiilikalvojen kanssa.

Siemens tunnetaan maailmanlaajuisesti laadukkaiden, kehittyneiden ja teknologiapainotteisten tuotteiden valmistajana. Se, että tällainen yritys käyttää yhden atomikerroksen materiaaleja kalvoissa, osoittaa niiden potentiaalin.

Tilikaudella 2023 Siemensin liikevaihto oli 19,66 miljardia euroa, mikä oli huomattavasti enemmän kuin vuoden 2022 17,39 miljardia euroa.

Lisää tutkimuksia yksiatomiskerrosmateriaaleista

Viimeaikainen tutkimus osoitti, että goldenen ja grafeenin kaltaisten materiaalien lisäksi yhden kerroksen musta fosfori eli fosforeeni tarjoaa erityisiä etuja anturisovelluksissa. Tutkijat liittävät nämä edut fosforeenin poimuttuneeseen hilarakenteeseen, jonka vuoksi sen pinta-alan ja tilavuuden suhde on suurempi kuin grafeenilla ja siirtymämetallidikalkogenideilla (TMDC). Fosforeeni on monikäyttöinen materiaali, jota voidaan käyttää esimerkiksi kaasujen, kosteuden, valon, biologisten ilmiöiden ja ionien havaitsemiseen.

Fosforeeni on lupaava materiaali myös elektroniikkaan ja optoelektroniikkaan. Tieteelliset julkaisut ovat osoittaneet, että sen luontaisesti anisotrooppiset sähköiset, kuljetus-, optoelektroniset, termosähköiset ja mekaaniset ominaisuudet eroavat huomattavasti grafeenin ja siirtymämetallidikalkogenidien ominaisuuksista. Fosforeenin helppo valmistus ja uudenlaiset ominaisuudet ovat vauhdittaneet uusien nanolaitteiden suunnittelua ja kokeellista toteutusta.

Toinen tutkimus osoitti etuja, joita saadaan yhdistämällä grafeenia ja fosforeenia. Yhdistelmän hyötyjen ymmärtämiseksi tarkastellaan natriumioniakkuja litiumioniakkujen vaihtoehtona. Natriumioniakkujen suorituskyky on verrattavissa litiumioniakkuihin, mutta haasteena on kehittää käyttökelpoisempia anodimateriaaleja. Tässä grafeenin ja fosforeenin yhdistelmä voi auttaa.

Tutkijat osoittivat yhdistelmän potentiaalin kokeessa. Hybridimateriaali, jossa muutama fosforeenikerros oli grafeenikerrosten välissä, saavutti ominaiskapasiteetin 2 440 mA h g−1 (laskettuna vain fosforin massasta) virrantiheydellä 0,05 A g−1. Kapasiteetista säilyi 83 % sadan syklin jälkeen, kun jännite vaihteli välillä 0–1,5 V.

Tutkijat selvittivät kehittämänsä anodin suuren kapasiteetin syitä in situ -läpäisyelektronimikroskopialla ja ex situ -röntgendiffraktiolla. Toiminta perustui kaksivaiheiseen mekanismiin: natriumionit sijoittuvat fosforeenikerrosten väliin x-akselin suuntaisesti, minkä jälkeen muodostuu Na3P-seosta.

Toinen yhden atomikerroksen materiaali, joka on herättänyt tiedeyhteisön kiinnostuksen, on germaneeni. Siinä kiinnostavat ennen kaikkea optiset ominaisuudet. Laskelmat osoittavat, että germaneenilevy absorboi merkittävästi auringon spektrin valoa ja on optisesti anisotrooppinen.

Germaneeni on erityinen puolijohde, jonka energiaraon leveys on nolla ja jonka energiavyön dispersio on lineaarinen K-pisteen ympäristössä. Ulkoinen esijännite avaa energiaraon, joka kasvaa lineaarisesti jännitteen kasvaessa.

Goldenen lisäksi monet muut yhden atomikerroksen materiaalit, kuten grafeeni, fosforeeni ja germaneeni, voivat siis avata uusia tieteellisiä tutkimusalueita ja mahdollisuuksia tuleville löydöille.

Näiden materiaalien ominaisuuksia on tutkittava määrätietoisesti, jotta voimme löytää lisää sovelluksia. Kaksiulotteisten ei-kerroksellisten materiaalien suuri pinta-aktiivisuus tekee niistä hyödyllisiä katalyyttejä tärkeissä reaktioissa, kuten hiilidioksidin hapetuksessa ja veden pelkistyksessä.

Materiaalit ovat osoittaneet arvonsa energian varastoinnissa ja muuntamisessa auttamalla polttokennojen ja aurinkokennojen kehittämisessä. Optoelektroniikassa niiden ominaisuudet mahdollistavat laadukkaiden ledien, laserien ja anturien valmistuksen. Topologisten eristeiden ominaisuudet auttavat myös luomaan materiaaleja, jotka johtavat sähköä pinnallaan mutta eristävät sisäosissaan.

Kehittyneet yhden atomikerroksen materiaalit avaavat lukuisia mahdollisuuksia. Tulevaisuudessa niiden käyttö tulee varmasti yleistymään!

Katso viisi nanoteknologian kehitystä johtavaa yritystä.