Van Graphene tot Goldene: Geavanceerde enkel-atoomlaagmaterialen openen nieuwe deuren voor toekomstige ontdekkingen

Niemand van ons twijfelt aan de waarde van goud in onze gedachten. Het is immers de meest populaire en langst bestaande waardevastlegging. Echter, de wetenschappelijke vooruitgangen die de mensheid heeft geboekt, hebben ons nu naar de drempel van Goldene gebracht. En het zou, om het zachtjes te zeggen, een game‑changer kunnen zijn. Maar wat is Goldene? Waarom is de wetenschappelijke gemeenschap er zo enthousiast over? Laten we dieper ingaan.

Goldene: Goudvellen die slechts één atomaire laag dik zijn

Voor het eerst hebben onderzoekers van de Linköping Universiteit, Zweden, goudvellen gecreëerd waarvan de dikte gelijk is aan één atomaire laag. De onderzoekers hebben deze afgeleide Goldene genoemd. Goldene kan van pas komen bij een reeks geavanceerde taken, waaronder koolstofdioxideconversie, waterstofproductie en de productie van waardetoevoegende chemicaliën. 

Volgens Shun Kashiwaya, onderzoeker bij de Materials Design Division van de Universiteit:

“Als je een materiaal extreem dun maakt, gebeurt er iets buitengewoons – zoals bij grafeen. Hetzelfde gebeurt met goud. Zoals je weet, is goud meestal een metaal, maar als het één atomaire laag dik is, kan het goud in plaats daarvan een halfgeleider worden.”

Hoe is ‘Goldene’ gecreëerd?

De uitvinding begon met de ontwikkeling van een driedimensionaal basismateriaal dat werd gecreëerd door goud tussen lagen van titanium en koolstof te embedden. Bij hoge temperaturen werd het dun gelaagde silicium van titaniumsiliciumcarbide vervangen door goud, wat leidde tot de ontdekking van titaniumgoudcarbide. Het was echter een toevallige ontdekking. De onderzoekers probeerden titaniumsiliciumcarbide, dat elektrisch geleidend is, met goud te coaten zodat het contact kon maken.  

Om hun werk uit te voeren, maakten de onderzoekers gebruik van een traditionele methode die al meer dan honderd jaar onderdeel is van de Japanse smeedkunst. Het component heet Murakami‑reagens. De onderzoekers gebruikten het in verschillende concentraties en gedurende verschillende tijdsperioden om uiteindelijk het gewenste component te verkrijgen. 

Hoewel ze uiteindelijk de goudvellen konden produceren met de gewenste dikte van één atoom, was het cruciaal om ze stabiel te maken. Ze gebruikten een tenside, een lang molecuul om de vellen te scheiden en te stabiliseren, als surfactant om te voorkomen dat de vellen opkrullen. 

Terwijl hij de uiteindelijke output en de wetenschappelijke validatie beschreef, had Shun Kashiwaya, een van de onderzoekers, het volgende te zeggen:

“De gouden vellen bevinden zich in een oplossing, een beetje zoals cornflakes in melk. Met behulp van een soort ‘zeef’ kunnen we het goud verzamelen en onder een elektronenmicroscoop onderzoeken om te bevestigen dat we geslaagd zijn. Wat we inderdaad zijn.”

De vele potentiële toepassingen van Goldene

De potentiële toepassingen van Goldene bestrijken een breed scala aan vakgebieden, waaronder koolstofdioxideconversie, waterstofgenererende katalyse, selectieve productie van waardetoevoegende chemicaliën, waterstofproductie, waterzuivering, communicatie en nog veel meer.

In de daaropvolgende fase zijn de onderzoekers van plan de mogelijkheid te onderzoeken om de hoeveelheid goud die in deze toepassingen wordt gebruikt te verminderen en goud te vervangen door andere edelmetalen. Deze nieuwe verbindingen zouden nog veel meer toepassingen kunnen hebben. 

Hoewel Goldene belooft veel nieuwe deuren te openen op het gebied van wetenschappelijke en technologische toepassingen, is de fascinatie van de wetenschappelijke gemeenschap voor enkel‑laags‑atomische materialen niet nieuw. 

Het intrigerende geval van enkel‑laags‑atomische materialen: Graphene en meer

Wanneer we het hebben over enkel‑laags‑atomische materialen, moeten we per definitie Graphene bespreken. Het is populair vanwege zijn potentieel. Onttrokken uit grafiet, de kristallijne vorm van koolstof, is Graphene licht, elastisch en sterk. Naast zijn dunheid heeft het een hoge weerstand, 200 keer meer dan staal. Toch is het vijf keer lichter dan aluminium. Het heeft ook lichtabsorptie‑eigenschappen en een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid.  

Graphene staat de laatste tijd meer in de belangstelling vanwege een recente doorbraak waarbij onderzoekers met succes de eerste functionele Graphene‑halfgeleider hebben aangetoond. Deze ontdekking kan leiden tot ingrijpende veranderingen in de wereld van computertechnologie en elektronica. 

Hoewel Graphene het meest populaire en breed toepasbare enkel‑laags‑atomische materiaal kan zijn, zijn er verschillende andere voorbeelden in deze categorie. 

Enkel‑laags‑atomische materialen staan ook bekend als 2D niet‑gelaagde materialen. Ze krijgen die naam omdat hun vorming plaatsvindt door chemische bindingen in drie dimensies (3D), wat leidt tot onverzadigde hangende bindingen aan het oppervlak en een zeer actieve en energierijke oppervlakte veroorzaakt. 

Naast Graphene is een voorbeeld van zo’n enkel‑laags materiaal zwart fosfor, bekend als fosforen. Onder andere niet‑gelaagde materialen vinden we voorbeelden van silicium en germanen. 

Door hun laag‑afhankelijke eigenschappen, rand‑effecten en variabele bandstructuren vertonen deze materialen vaak een unieke reeks eigenschappen aan hun randen. Ze kunnen worden aangepast door spanning of aangelegde elektrische velden, waardoor ze afstemmings‑eigenschappen krijgen. 

Metaalchalcogeniden, metaaloxiden, III‑V halfgeleiders en organisch‑anorganische perovskieten behoren tot de meest voorkomende enkel‑laags‑atomische of tweedimensionale niet‑gelaagde materialen. 

Laten we kort enkele voorbeelden uit de praktijk van dergelijke materialen bekijken. Voorbeelden van metaalchalcogeniden zijn molybdeendisulfide (MoS2), wolfraamdisulfide (WS2) en wolfraamdiselenide (WSe2), terwijl indiumoxide (In2O3), tinoxide (SnO2) en zinkoxide (ZnO) belangrijke voorbeelden van metaaloxiden zijn. 

III‑V halfgeleiders ontlenen hun naam aan het feit dat ze een element uit groep III, zoals aluminium, gallium of indium, combineren met een element uit groep V, zoals fosfor, arseen of antimoon. Galliumarsenide en indiumfosfaat zijn voorbeelden van III‑V halfgeleiders. 

Voorbeelden van organisch‑anorganische perovskieten zijn methylammoniumloodjodide (MAPbI3) en formamidiniumloodjodide (FAPbI3).

Deze materialen kunnen verschillende toepassingen vinden. Er zijn bedrijven die oplossingen op basis hiervan bouwen. In het komende segment zullen we ze nader bekijken. 

#1. Haydale Graphene Industries

De inertie van Graphene maakte adoptie moeilijk. Haydale Graphene Industries heeft, om dit probleem op te lossen, een poeder‑in, poeder‑uit proces ontwikkeld dat dit probleem van plasmafunctionalisatie moeiteloos kan overwinnen. 

Dit proces, dat het potentieel van Graphene kan ontketenen, werd bekend als Haydale HDPlas, een droge, schone en milieuvriendelijke methode die graphene en andere nanomaterialen verbetert door hen de benodigde mechanische sterkte en verbeterde elektrische en thermische geleidbaarheid te geven. 

Haydale heeft vele interessante op graphene gebaseerde oplossingen ontwikkeld, waaronder een reeks aanpasbare graphene‑inkten voor medische apparaten, flexibele elektronica, verwarmingselementen en draagbare technologie. Het levert ook gefunctionaliseerd boornitride, bekend als wit graphene. Dit synthetische keramische materiaal is niet‑giftig en is verkrijgbaar in vaste en poedervorm. Enkele eigenschappen zijn isolatie, sterkte, gewicht en elektrische geleidbaarheid. 

Het portfolio van Haydale met gefunctionaliseerde graphene‑ en nanomateriaaladditieven blijkt ook effectief in de productie van elastomeerproducten. Deze kunnen worden gebruikt in rubberen fiets‑ en autobanden, schoenzolen van rubber, afdichtingen en pakkingen. De siliconcarbide‑graphene‑producten van Haydale worden gebruikt in keramisch‑polymeer oppervlaktebehandeling om betonnen producten te beschermen. 

Met behulp van graphene heeft Haydale ook bruikbare composieten, thermoplastics en zonne‑snijgereedschappen ontwikkeld. 

Recentelijk heeft Haydale (AIM: HAYD) haar tussentijdse resultaten aangekondigd voor het jaar eindigend op 31 december 2023 (“FY23”). Volgens het rapport stegen de groepsomzet met 38% tot £2,47 miljoen (H1 FY23 £1,78 miljoen).

#2. Siemens

Een ander zeer geavanceerd gebruiksvoorbeeld voor graphene‑folies is te zien in de bouw van cyclotrons door Siemens. Een groep onderzoekers gebruikte graphene‑folies als extractie‑ (stripper) folie in de 11‑MeV Siemens Eclipse Cyclotron. 

Deze folies vertoonden een uitzonderlijk hoge thermische geleidbaarheid vergeleken met koolstof en een aanzienlijke mechanische sterkte. Hun levensduur bedroeg meer dan 16.000 PA*H. Het gebruik van graphene‑folies resulteerde ook in een significante toename van de transmissiefactor — de verhouding van de bundelstroom op de stripper‑folie tot de stroom op het doelwit — die meer dan 90% bedroeg. 

Het experiment toonde aan hoe enkel‑laags‑atomische graphene‑folies efficiënt kunnen concurreren met andere koolstoffolies, die gewoonlijk als stripper‑folies worden gebruikt. 

Siemens staat wereldwijd bekend om het vervaardigen van hoogwaardige, geavanceerde en technologie‑intensieve producten. Een dergelijk bedrijf dat enkel‑laags‑atomische materialen in folie‑vorm gebruikt, toont het potentieel van deze categorie. 

In FY 2023 behaalde Siemens een omzet van 19,66 miljard euro, een opmerkelijke stijging ten opzichte van de 17,39 miljard euro die in 2022 werd geregistreerd. 

Meer verkenningen rond enkel‑laags‑atomische materialen

Recente onderzoeken toonden aan dat, naast materialen zoals Goldene of Graphene, monolaag zwart fosfor, ook bekend als fosforen, duidelijke voordelen biedt in sensortoepassingen. Wetenschappers en onderzoekers schrijven deze unieke voordelen toe aan de ‘gerimpelde’ kristalstructuur van fosforen, die het materiaal een groter oppervlak‑tot‑volume‑ratio geeft dan graphene en overgangsmetaal‑dichalcogeniden (TMDC’s). Fosforen is veelzijdig in zijn toepassingen en kan worden gebruikt in diverse sensorscenario’s, waaronder gasdetectie, vochtigheidsdetectie, fotodetectie, bio‑detectie en ion‑detectie.

Fosforen toont ook aanzienlijke belofte in elektronica en opto‑elektronica. Wetenschappelijke publicaties hebben aangetoond dat de intrinsiek anisotrope elektronische, transport‑, opto‑elektronische, thermoelectrische en mechanische eigenschappen sterk verschillen van die van graphene en overgangsmetaal‑dichalcogeniden. Het gemak van fabricage en de nieuwe eigenschappen van fosforen hebben de ontwikkeling en demonstratie van nieuwe nanodevices gestimuleerd. 

Een andere studie wees op de voordelen van het combineren van graphene en fosforen. Om dieper in te gaan op hoe deze combinatie nuttig kan zijn, bekijken we de vergelijkende positie van natrium‑ionbatterijen als alternatief voor lithium‑ionbatterijen. Terwijl natrium‑ionbatterijen prestaties vertonen die vergelijkbaar zijn met die van hun lithium‑ion tegenhangers, ligt de uitdaging in het ontwikkelen van meer levensvatbare anodematerialen. En hier komt de combinatie van graphene‑fosforen in beeld. 

In een wetenschappelijk experiment toonden de onderzoekers het potentieel aan. Een hybride materiaal bestaande uit enkele fosforenlagen tussen graphene‑lagen kon een specifieke capaciteit van 2.440 mA h g⁻¹ (berekend op basis van alleen de massa fosfor) vertonen bij een stroomdichtheid van 0,05 A g⁻¹ en een capaciteitsbehoud van 83 % na 100 cycli, werkend tussen 0 en 1,5 V. 

De onderzoekers gebruikten in‑situ transmissie‑elektronenmicroscopie en ex‑situ röntgendiffractie‑technieken om de grote capaciteit van de anode die ze ontwikkelden te verklaren. Ze ontwikkelden deze via een dubbel mechanisme waarbij natriumionen intercaleren langs de x‑as van de fosforenlagen, gevolgd door de vorming van een Na₃P‑legering. 

Een ander enkel‑laags‑atomisch materiaal dat de verbeelding van de wetenschappelijke gemeenschap heeft weten te vangen, is Germanene. De interesse in Germanene richt zich voornamelijk op de optische eigenschappen. De relevante berekening heeft aangetoond dat het Germanene‑blad een aanzienlijke lichtabsorptie in het zonnespectrum heeft en optische anisotropie vertoont. 

Germanene is uniek omdat het een halfgeleider is met een nul bandgap en lineaire banddispersie rond het K‑punt. Terwijl de opening van de bandgap optreedt in aanwezigheid van een bias‑spanning, neemt deze lineair toe met de toenemende sterkte van de bias‑spanning. 

Daarom zullen niet alleen Goldene, maar een reeks enkel‑laags‑atomische materialen, waaronder graphene, fosforen, germanene en meer, nieuwe wetenschappelijke frontiers openen voor toekomstige ontdekkingen. 

We moeten onze focus vasthouden op de eigenschappen van deze materialen. Alleen dan kunnen we meer toepassingen ontdekken. We moeten ons herinneren dat de hoge oppervlaktesactiviteit van 2D niet‑gelaagde materialen hen nuttige katalysatoren maakt voor cruciale reacties, zoals de oxidatie van koolstofdioxide en de reductie van water. 

Deze materialen hebben hun waarde bewezen in energieopslag en -omzetting door te helpen bij het ontwikkelen van brandstofcellen en zonnecellen. In opto‑elektronica leiden hun eigenschappen tot de productie van hoogwaardige lichtgevende diodes, lasers en sensoren. Hun topologische isolatie‑eigenschappen helpen ook bij het maken van isolatoren die elektriciteit geleiden op hun oppervlak maar in bulk isoleren. 

Al met al zijn geavanceerde enkel‑laags‑atomische materialen poorten naar een veelheid aan kansen. In de toekomst zullen we zeker een brede adoptie zien! 

Klik voor de lijst van vijf bedrijven die de ontwikkeling van nanotechnologie leiden.