Borophene. Net als grafeen, maar beter.

Grafeen gemaakt van boor

Material sciences keep making new discoveries, one of them being 2D materials. They are materials organized into a thin layer of only one atom, hence the moniker. The first one was single-layer graphene, which was produced with certainty only in 2004, although the idea and theory about it were much older, and which would lead to its discoverers winning the 2010 Nobel Prize in physics.

Borofeen, een ander 2D-materiaal, is nog nieuwer en werd pas in 2015 ontdekt. Het bestaat uit booratomen in plaats van de koolstofatomen die in grafeen worden gebruikt. Het is nog beter geleidend, dunner, lichter, sterker en flexibeler dan grafeen, ondanks dat grafeen vaak wordt omschreven als een wondermateriaal.

Bron: Nature

Omdat het zo nieuw is, weten we nog weinig over de werkelijke eigenschappen en het volledige potentieel van borofeen. Het is een materiaal dat nog complexer is dan grafeen, met vele mogelijke moleculaire configuraties terwijl het zijn 2D-eigenschappen behoudt. De moleculaire structuren van borofeen kunnen ruimte bieden om andere soorten atomen op te nemen, waardoor de potentiële configuraties nog talrijker worden.

Bron: Frontiers of Physics

En het potentieel van borofeen blijft groeien, aangezien onderzoekers van Penn State hebben ontdekt hoe borofeen te verbeteren en ook hebben onderzocht hoe het interacteert met levende cellen.

Nieuwe chiraal borofeen

In een wetenschappelijke publicatie getiteld “Chiral Induction in 2D Borophene Nanoplatelets through Stereoselective Boron–Sulfur Conjugation”, richtten de onderzoekers van Penn State zich op een uniek kenmerk van borofeen onder de 2D-materialen, de potentiële “chiraliteit”. Chiraliteit is een chemische term die betekent dat moleculen een linker-/rechter-symmetrie hebben. Chiraliteit is een belangrijk kenmerk van organische moleculen, bijvoorbeeld de aminozuren die de bouwstenen van eiwitten vormen.

Bron: UC Santa Barbara

Door de interactie met chirale aminozuren zoals cysteïne tijdens het productieproces slaagden de onderzoekers erin chiraliteit aan borofeen toe te kennen, een wereldprimeur voor 2D-materialen.

In moleculen kan chiraliteit ervoor zorgen dat biologische of chemische eenheden in twee versies bestaan die niet perfect op elkaar passen, zoals een linker- en rechterhandschoen. Ze kunnen elkaar precies spiegelen, maar een linkerhandschoen past nooit zo goed op de rechterhand als op de linkerhand.

Pr. Dipanjan Pan

Chiraliteit benutten in de gezondheidszorg

De onderzoekers syntheseerden borofeenplaten, vergelijkbaar met hoe fragmenten van borofeen in de bloedbaan zouden terechtkomen. Ze ontdekten dat de chirale eigenschappen van de verschillende versies van borofeen verschillend interageerden met de celmembranen en de cellen op verschillende wijze binnengingen.

Dit opent de weg naar het ontwerpen van op maat gemaakte borofeenstructuren voor toepassingen zoals de “ontwikkeling van medische beeldvorming met hogere resolutie en contrast die cellulaire interacties nauwkeurig kan volgen of betere geneesmiddellevering met gerichte materiaal-celinteracties.”

Een beter begrip van hoe de structuur van borofeen interageert met levende cellen zal ook helpen het veiligheidsprofiel te verduidelijken.

Het zou ook kunnen leiden tot veiligere, effectievere implanteerbare medische apparaten die gebruikmaken van de unieke eigenschappen van borofeen. Het is niet alleen een zeer licht en sterk materiaal, maar borofeen maakt ook effectieve magnetische en elektronische controle mogelijk.

Dus kan borofeen ook worden gebruikt om biosensoren of bio‑mechanische systemen te ontwikkelen.

Andere toepassingen van borofeen

Net als grafeen is borofeen een veelbelovend materiaal voor tal van hightech-toepassingen. Hieronder vallen:

• Fotonicacomputing: met name kan borofeen worden gebruikt in lasers voor fotonische toepassingen.
• Catalyse, vooral voor interacties met waterstof en zuurstof. Het kan ook worden gebruikt om waterstof efficiënter op te slaan.
• Sensoren, vooral voor gassen, maar ook, zoals genoemd, bio‑beeldvorming zoals fluorescentie‑beeldvorming,  fotothermische beeldvorming, en foto‑akoestische beeldvorming.
• Batterijen, inclusief het maken van anodes van borofeen.
• Geavanceerde energie, inclusief ultra‑condensatoren en supergeleiders.

Deze toepassingen zouden mogelijk kunnen profiteren van chiraal borofeen, en het nieuwe materiaal zal voor elk afzonderlijk getest moeten worden.

Potentiële bedrijven voor borofeen

Als een materiaal dat minder dan een decennium geleden is ontdekt, staat borofeen nog ver van massaproductie en is het grotendeels beperkt tot laboratoria voor materiaalkunde (en binnenkort biologie?).

Echter, de manier waarop borofeen voor het eerst in 2015 werd gesynthetiseerd, een methode genaamd “chemical vapor deposition” of CVD, is geen nieuwe technologie. Het wordt veelvuldig gebruikt in de halfgeleiderindustrie voor het produceren van geïntegreerde schakelingen en fotovoltaïsche (zonnepaneel) systemen.

CVD wordt gebruikt om ultradunne lagen van silicium, wolfraam, grafeen en zelfs synthetische diamanten te creëren. Dus elk bedrijf dat al een leider is in CVD‑apparatuur zou een belangrijke begunstigde kunnen worden van het groeiende scala aan toepassingen voor grafeen en nu borofeen.

CVD maakt deel uit van de gereedschappen die door vele halfgeleiderbedrijven worden gebruikt die wij hebben opgesomd in “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”. Maar sommige bedrijven zijn nauwer verbonden met CVD‑technologie dan andere die actief zijn in verschillende delen van het halfgeleiderproductieproces.

1. Veeco

Veeco is sinds de oprichting in 1945 een belangrijke leverancier van apparatuur aan de halfgeleiderproductie-industrie. Zijn machines worden gebruikt bij de productie van geavanceerde EUV‑chips, 5G‑antennes, harde schijven, LIDAR, LED’s, vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, enz.

Bron: Veeco

De belangrijkste technologische focus van het bedrijf is hetzelfde CVD‑proces dat wordt gebruikt voor de productie van borofeen, of meer precies MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Bron: Veeco

Als leider in dit niche‑segment van de halfgeleiderindustrie zou Veeco een goede kandidaat kunnen zijn om in te zetten op de groei van meer CVD‑toepassingen die voortvloeien uit het toenemende gebruik van grafeen, wolfraam en borofeen, nu we steeds beter worden in het manipuleren van materie op atomair niveau.

Het zal ook waarschijnlijk profiteren van de enorme trends van digitalisering, AI en elektrificatie.

2. Ulvac (6728.T)

Het Japanse bedrijf Ulvac is specialist in vacuümtechnologie, vooral gebruikt in CVD‑ en halfgeleidertoepassingen. Dit maakt het een belangrijke apparatuurleverancier voor producenten van chips, LED’s, fotovoltaïsche systemen, batterijen, enz.

Bron: Ulvac

Het bedrijf is ook actief in andere markten, met name FPD (Flat Panel Display) zoals schermen en televisies. Het produceert ook onderdelen van hoogwaardig metaal zoals titanium, titaan, zirconium, niobium, enz., evenals industriële apparatuur voor een zeer breed scala aan toepassingen (onderdelen voor verbrandingsmotoren, magnetische materialen, vriesdrooging of zuivering van farmaceutische producten, vacuümdrooging van voedsel).

Bron: Ulvac Q3 2024

Ulvac‑technologie is cruciaal voor het CVD‑proces, en de verkoop zal waarschijnlijk profiteren van nieuwe toepassingen en de groeiende vraag naar geavanceerde materialen die vacuüm vereisen, zoals batterijen, chips, zonnepanelen, magneten, LED’s, schermen, geavanceerde farmaceutica, enz.

Echter, dankzij het bredere scala aan potentiële toepassingen is het minder afhankelijk van de activiteit in de halfgeleiderindustrie dan zuivere CVD‑bedrijven zoals Veeco.

Gezien hoe cyclisch de bedrijfsactiviteit kan zijn voor leveranciers van halfgeleiderproductie‑apparatuur, maakt dit Ulvac tot een waarschijnlijk minder volatiele investering. Het zou ook minder blootgesteld moeten zijn aan het opkomende risico van handelsoorlogen tussen de VS en China in de halfgeleiderindustrie.