Materiaalkunde
2D Materialen, Zoals Grafiet, Openen Nieuwe Grenzen in Materiaalwetenschappen
Een Per Ongeval Ontdekte
De meeste fysieke voorwerpen zijn gemaakt van 3D-materialen. Vaste materialen worden vaak gemaakt van geordende atomen in vooraf bepaalde 3D-structuren die metalen en kristallen vormen, of ongeordende atomen die andere dingen vormen.
Gedurende lange tijd werd aangenomen dat dit de enige vorm was waarin materie georganiseerd kon worden om vaste voorwerpen te vormen. Maar 20 jaar geleden (2004), ontdekten twee onderzoekers aan de Universiteit van Manchester, Andre Geim en Professor Kostya Novoselov, een 2D-materiaal, grafiet. Ze ontdekten het bijna per ongeluk toen ze zich realiseerden dat eenvoudig schuurpapier op grafiet (wat potloden maakt) een mono-atomische laag van koolstof creëerde.
Dit zou later leiden tot de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2010.
Grafiet bestaat uit koolstofatomen, maar in plaats van een ongeordende vorm (grafiet) of een geordend kristal (diamanten), zijn de koolstofatomen in grafiet uitgelijnd in een mono-atomische laag, zoals een ultra-dun vel papier. Ze ontdekten ook dat het mogelijk is om 1 of nul-dimensionale materialen te vormen, zoals nanobuizen of quantumdots.
Source: Ossila
Wat 2D-materialen speciaal maakt, is dat deze unieke configuratie unieke fysieke eigenschappen met zich meebrengt.
Bijvoorbeeld is grafiet extreem conductief, met elektronen die erin kunnen circuleren met 1/300de de snelheid van het licht. Het is ook een zeer goede thermische geleider en heeft de hoogste treksterkte van enig materiaal, ondanks dat het optisch transparant is en slechts 2% van het invallende zichtbare licht absorbeert.
Source: Visual Capitalist
Veel Meer Dan Grafiet
De unieke eigenschappen van grafiet maakten het onmiddellijk het onderwerp van duizenden onderzoekers die enthousiast waren om zijn unieke elektrische, chemische en fysieke eigenschappen te onthullen.
Echter, anderen begonnen zich af te vragen of andere elementen, behalve koolstof, 2D-materialen konden creëren. Het antwoord was ja, met theoretische voorspellingen die honderden verschillende potentiële 2D-materialen beloofden. Onder de meest belangrijke en bestudeerde 2D-materialen, behalve grafiet, kunnen we een paar noemen:
- Borofeen, gemaakt van booratomen, ontdekt in 2015.
- Goud, gemaakt van goudatomen, voor het eerst geproduceerd in 2024.
- Silicene, gemaakt van siliciumatomen.
- Fosforeen, gemaakt van fosforatomen.
Het lijkt erop dat 2D-materialen niet noodzakelijk gemaakt hoeven te worden van slechts één zuiver element – bijvoorbeeld, mono-lagen van molybdeen disulfide (MoS2) of siliciumnitride (Si3N4).
Andere atomen kunnen ook aan de monolaag worden gehecht, waardoor een “ruwe” oppervlakte ontstaat, zoals wanneer waterstof aan de koolstofatomen van grafiet wordt toegevoegd om graphaan te vormen.
By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Door deze extreme diversiteit aan materialen zijn onderzoekers pas begonnen met het ontsluiten van het potentieel van 2D-materialen.
Toepassingen – Fundamentele Aspecten
In het algemeen is wat 2D-materialen uniek maakt, dat hun zeer geordende atoomstructuur unieke configuraties van hun elektronen en de sterke binding tussen de atomen toelaat.
Dit verklaart op zijn beurt de uitzonderlijke elektrische conductiviteit (stroom van elektronen), thermische conductiviteit (overdracht van energieniveaus tussen atomen) en fysieke sterkte (covalente bindingen tussen atomen door elektronen uit te wisselen).
De 2D-structuur geeft deze materialen ook de hoogste specifieke oppervlakken (oppervlak waar interacties mogelijk zijn) van alle bekende materialen. Dit maakt ze uitstekende kandidaten voor nieuwe vormen van katalysatoren of, in het algemeen, betrokken raken bij chemische en elektrische reacties.
Supergeleiders
Omdat elektronen bijna geheel vrij kunnen stromen op het oppervlak van 2D-materialen, zijn ze goede kandidaten voor supergeleiding.
Supergeleiding is wat gebeurt wanneer een materiaal in staat is om elektriciteit te geleiden zonder enige weerstand.
Dit betekent niet alleen dat er geen energieverlies is, wat erg nuttig kan zijn voor het transporteren van stroom over lange afstanden, maar het betekent ook dat een stroom die door het materiaal stroomt geen warmte genereert. Dit kan erg nuttig zijn voor allerlei toepassingen, van computers tot EV’s en vrijwel elke technologie die elektriciteit gebruikt.
In theorie kan supergeleiding, vooral kamertemperatuur supergeleiding, het beheersen van kernfusie toelaten, het aandrijven van schepen met elektriciteit, goedkope en ultrasnelle magneettreinen, massadrijvers om in een baan te komen tegen een zeer lage kostprijs, enz. (We hebben in een speciaal artikel dieper ingegaan op de kwestie van kamertemperatuur supergeleiders).
Veel 2D-materialen zouden supergeleiding kunnen vertonen onder de juiste omstandigheden (bijv. temperatuur, druk, enz.), waaronder:
- Elementaire metaal ultradunne films.
- Cupraten.
- Perovskietoxiden.
- Zeldzame aardmetaal zware-fermionverbindingen.
- Grafiet.
- Ijzer selenide op oxideoppervlakken.
- Organische geleiders op metaaloppervlakken.
Halfgeleiders
Halfgeleiders zijn materialen die kunnen selectief schakelen tussen een conductieve toestand (die elektronen overdraagt) en een isolerende toestand (die elektronen blokkeert). Dit is het fundamentele principe waarop siliciumtransistoren en andere computerelementen zijn gebaseerd, met 0 als geen elektrische stroom en 1 als de aanwezigheid van stroom.
Hoe sneller een halfgeleider van toestand kan veranderen, hoe sneller de geassocieerde berekening kan zijn.
Grafiet
Aanvankelijk dachten onderzoekers die grafiet bestudeerden dat het silicium in halfgeleiders kon vervangen. Helaas ontbreekt het een belangrijk elektronisch kenmerk, een “bandgap”.
Een bandgap is wat bepaalt of een materiaal als metaal (elektriciteit geleidend), isolator (elektriciteit blokkerend) of halfgeleider (die tussen conductief en isolerend kan schakelen) wordt beschouwd.
Source: Energy Education
Het probleem is dat grafiet helemaal geen bandgap heeft, waardoor het niet als halfgeleider kan worden gebruikt.
Dit was waar totdat onderzoekers in 2024 aankondigden dat ze erin geslaagd waren de werelds eerste halfgeleider van grafiet te maken.
“We hebben nu een extreem robuuste grafiet halfgeleider met tien keer de mobiliteit van silicium, en die ook unieke eigenschappen heeft die niet beschikbaar zijn in silicium.
“We moesten leren hoe we het materiaal moesten behandelen, hoe we het beter en beter konden maken, en tenslotte, hoe we de eigenschappen konden meten. Dat duurde heel, heel lang.”
Goud
Een ander 2D-materiaal van interesse is goud, in wezen grafiet maar met goud in plaats van koolstofatomen.
Goud wordt al veel gebruikt in chips en computercomponenten vanwege zijn buitengewone eigenschappen, zoals weerstand tegen oxidatie en zeer hoge elektrische conductiviteit.
Met de productie in 2024 van de eerste goudlaag, kunnen halfgeleidereigenschappen mogelijk aan de lijst worden toegevoegd.
“Als je een materiaal extreem dun maakt, gebeurt er iets buitengewoons – zoals bij grafiet. Hetzelfde gebeurt met goud. Zoals je weet, is goud meestal een metaal, maar als een laag een enkele atoom dik is, kan goud in plaats daarvan een halfgeleider worden.”
Organische Halfgeleiders
Organische moleculen bestaan uit een skelet van koolstof, samen met andere elementen, meestal zuurstof, stikstof, zwavel, enz.
Source: POSTECH
Ze gebruikten vervolgens een stap genaamd p-type doping, die vaak wordt gebruikt in de productie van halfgeleiders.
Dit verwijst naar het toevoegen van elementen aan een halfgeleidermateriaal om het nog beter te maken.
Source: Wikipedia by VectorVoyager
Het resulterende materiaal is door de onderzoekers beschreven als “uitstekende elektrische conductiviteit”.
Dus, zelfs als materialen zoals grafiet te moeilijk zijn om in een halfgeleiderconfiguratie te produceren, of goud te duur is, zullen organische halfgeleiders waarschijnlijk de adoptie van 2D-halfgeleiders in de nabije toekomst mogelijk maken.
Supermaterialen
Terwijl de elektrische eigenschappen het kernpunt zijn van de interesse van wetenschappers in 2D-materialen, zijn hun fysieke eigenschappen even indrukwekkend.
Bijvoorbeeld is grafiet 200 keer sterker dan staal voor een equivalent gewicht. Grafiet kan worden geïntegreerd in beton, op dezelfde manier als staal in gewapend beton, het creëren van beton dat 2,5 keer sterker en 4 keer minder waterdoorlatend is. Bovendien roest grafiet niet zoals staal, waardoor grafiet-versterkt beton niet kwetsbaar is voor “betonrot” veroorzaakt door ijzeroxidatie, wat de levensduur van betonstructuren ernstig beperkt.
De extreme weerstand + licht gewicht van grafiet en andere 2-materialen kan ook worden gebruikt om beter lichaamsbescherming te creëren.
Een ander toepassingsgebied kan thermisch beheer zijn. Bijvoorbeeld, onderzoekers ontdekten onlangs dat ze een materiaal konden fabriceren dat zowel isolerend als stijf is (een zeldzame combinatie) door het creëren van 2D-hybride organische-anorganische perovskieten.
2D-materialen zoals grafiet en hexagonaal boornitride konden ook worden gebruikt om warmte te verdrijven in elektronische en optoelektronische apparaten.
Ten slotte konden geavanceerde ultra-resistente 2D-materialen worden gebruikt om toekomstige infrastructuur te bereiken, zoals bijvoorbeeld ruimte-liften. Echter, zulke stappen zullen alleen realistisch zijn als we hebben uitgevonden hoe we deze materialen economisch kunnen produceren, niet per gram of kilo, maar per miljoen ton.
Biotech
Zeergroot oppervlak, extreem dunne laag en unieke chemische eigenschappen maken 2D-materialen goede kandidaten voor veel niche-toepassingen in de medische en biotechnologie-industrie.
Dit omvat geneesmiddelenbezorging, beeldvorming, weefseltechniek, biosensoren en gassensoren.
Een andere factor in de opkomst van 2D-materialen in biologische toepassingen is de recente ontdekkingen die het mogelijk maken om hen een kenmerk te geven dat “chiraliteit” wordt genoemd.
Chiraliteit is een term uit de scheikunde die betekent dat moleculen een links/rechts-symmetrie hebben. Chiraliteit is een belangrijk kenmerk van organische moleculen, bijvoorbeeld de aminozuren die de bouwstenen van eiwitten zijn.
Source: UC Santa Barbara
In moleculen kan chiraliteit ervoor zorgen dat biologische of chemische eenheden bestaan in twee versies die niet perfect kunnen worden gematcht, zoals een linker- en rechterhandschoen. Ze kunnen elkaar precies spiegelen, maar een linkerhandschoen zal nooit zo goed passen bij de rechterhand als hij past bij de linkerhand.
Pr. Dipanjan Pan
Onlangs synthetiseerden onderzoekers borofeenplaatjes, vergelijkbaar met hoe fragmenten van borofeen in het bloed zouden gaan. Ze ontdekten dat de chirale eigenschappen van de verschillende versies van borofeen op verschillende manieren met de celmembranen interacteerden en de cellen op verschillende manieren binnengingen.
Dit opent de weg voor het ontwerpen van aangepaste borofeenstructuren voor toepassingen zoals de “ontwikkeling van hogeresolutie medische beeldvorming met contrast dat precies celinteracties kan volgen of betere geneesmiddelenbezorging met precisie materiaal-celinteracties.”
Een beter begrip van hoe borofeenstructuur interacteert met levende cellen zal ook helpen om zijn veiligheidsprofiel te verduidelijken.
Terwijl het gezondheidsprofiel van borofeen nog wordt geëvalueerd, lijkt het erop dat grafiet zelfs veilig kan worden ingeademd zonder enig acuut risico voor de menselijke gezondheid. Deze resultaten zijn nog zeer voorlopig, maar waarschijnlijk geven ze aan dat de snelle proliferatie van 2D-materialen niet tot openbare gezondheidsproblemen zou moeten leiden.
En hoe biocompatibeler ze zijn, hoe waarschijnlijker ze kunnen worden gebruikt om biologische sensoren te ontwikkelen of nanorobots in onze bloedbaan te laten werken.
Beperkingen
Grootschalige Productie
Zelfs het meest gevestigde en eerste ontdekte 2D-materiaal, grafiet, is nog steeds voornamelijk het domein van laboratoria en startups.
Dit komt omdat het produceren op grote schaal nog een lastige onderneming is. Het maken van kleine hoeveelheden is relatief eenvoudig, maar het produceren van grote hoeveelheden op een semi-geautomatiseerde manier is niet eenvoudig.
Schuurpapier op een stuk grafiet was genoeg om grafiet te ontdekken. Maar veel complexere methoden zoals chemische dampafzetting (CVD) zijn nodig voor massaproductie.
Dit wordt langzaam meer een realiteit, met bijvoorbeeld de publicatie van een proces voor zuurstofvrije CVD die hoogwaardig grafiet produceert.
Lijmen
Een ander probleem met 2D-materialen is dat ze, vanwege hun dunne en unieke chemische eigenschappen, moeilijk te lijmen zijn op andere materialen.
Het vereist vaak gespecialiseerde technieken om een laag grafiet te laten plakken op computerchips, een voeding, of een medisch apparaat.
Dit kan veel tijdrovender en hulpbronnen-intensiever zijn dan minder efficiënte maar gemakkelijker te implementeren alternatieven.
Kosten
Omdat de meeste productiemethoden en toepassingen op bestaande apparaten momenteel nog klein zijn of op maat gemaakt, zijn 2D-materialen nog steeds relatief duur.
De werkelijke prijs kan sterk variëren afhankelijk van de zuiverheid, met bijvoorbeeld grafiet dat varieert tussen $20-2.000/kg.
Dit betekent dat, zelfs bij de goedkoopste prijs, grafiet nog steeds 20 keer duurder is dan staal. Bovendien is waarschijnlijk meer nodig dan de laagste mogelijke zuiverheid om aanvaardbare prestaties te bereiken bij het vervangen van staal.
2D Materiaal Bedrijven
Het veld van 2D-materialen evolueert zeer snel, met nieuwe opties zoals goud dat regelmatig wordt ontdekt, en nieuwe inzichten in hoe “oude” materialen zoals grafiet te optimaliseren.
Deze producten zullen waarschijnlijk alleen een grote economische sector worden als ze op grote schaal worden geproduceerd met industriële methoden.
Tot nu toe is de meest geavanceerde en goed gedocumenteerde methode CVD, waardoor CVD-specialisten een aanzienlijk voordeel hebben om een groot deel van de waarde van 2D-materialenproductie te kunnen vastleggen.
1. Veeco
(VECO )
Veeco is een belangrijke leverancier van apparatuur voor de halfgeleiderindustrie sinds zijn oprichting in 1945. Zijn machines worden gebruikt in de productie van geavanceerde EUV-chipmaking, 5G-antennes, harde schijven, LIDAR, LEDs, power electronics voor EV’s, enz.
Source: Veeco
Het hoofdtechnologische focusgebied van het bedrijf is hetzelfde CVD-proces dat wordt gebruikt voor borofeenproductie, of meer specifiek, MOCVD (Metaal-Organische Chemische Dampafzetting).
Source: Veeco
Als leider in deze niche van de halfgeleiderindustrie kan Veeco een goede kandidaat zijn om in te zetten op de groei van meer CVD-toepassingen.
Dergelijke groei kan voortkomen uit de groeiende gebruik van grafiet, wolfraam en borofeen, naarmate we beter worden in het manipuleren van materie op atomaal niveau.
Het zal ook waarschijnlijk profiteren van de grote trends van digitalisering, AI en elektrificatie, of het nu op grote schaal 2D-materialen gebruikt of niet.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG is een grafietproducent die zijn productaanbod heeft gericht op reeds gedemonstreerde grafietgebaseerde producten zoals warmtecoating en smeermiddelen.
Dit maakt GMG een goede optie voor beleggers die directe blootstelling zoeken aan de grafietmarkt en een bedrijf dat al actief is in het massaproduceren van grafiet en het verbeteren van de huidige productiemethode.
Source: GMG
Sommige verdere toepassingen kunnen zijn het creëren van grafiet halfgeleiders (zie “Grafiet Halfgeleiders – Zijn Ze Eindelijk Hier?”), of zelfs kamertemperatuur supergeleiders. Grafietcoating kan ook worden gebruikt in batterijen en voor waterstofdrukcilinders.
Source: GMG
Het bedrijf lanceerde zijn eerste productiefaciliteit in Australië in 2023, met een productiecapaciteit van maximaal 1 miljoen liter warmtecoating per jaar.
De volgende stap voor het bedrijf zal zijn batterijtechnologie gebaseerd op grafiet-aluminiumion, met een dichtheid van 290 Wh/kg, 60 keer sneller opladen dan lithium-ionbatterijen, 3 keer de batterijlevensduur en een beter brandgevaarprofiel.
Source: GMG
Deze toegang tot de batterijmarkt kan een grote gok zijn voor GMG, maar geeft het ook een unieke kijk op de toekomstige markt die kan openen voor grafiet, inclusief in EV en andere toepassingen met betrekking tot energie.
