2D-materialer, som grafen, åpner nye fronter innen materialvitenskap

Et tilfeldig funn

De fleste fysiske gjenstander er laget av 3D-materialer. Solide materialer er ofte laget av enten organiserte atomer i forhåndsbestemte 3D-strukturer som danner metaller og krystaller, eller uorganiserte atomer som danner andre ting.

I lang tid ble dette antatt å være den eneste formen materien kunne organiseres i for å danne solide objekter. Men for 20 år siden (2004) oppdaget to forskere ved University of Manchester, Andre Geim og professor Kostya Novoselov et 2D-materiale, grafen. De oppdaget det nesten ved et uhell da de innså at enkel teip på grafitt (det som lager blyantspisser) skapte et monoatomisk lag av karbon.

Dette ville senere gi dem Nobelprisen i fysikk i 2010.

Grafen er laget av karbonatomer, men i stedet for å være i en uorganisert form (grafitt) eller en organisert krystall (diamant), er karbonatomene i grafen justert i et monoatomisk lag, som et ultratynt papirlignende ark. De oppdaget også at det er mulig å danne materialer i én eller null dimensjon, som nanotråder eller kvanteprikker.

Kilde: Ossila

Det som gjør 2D-materialer spesielle er at denne unike konfigurasjonen gir unike fysiske egenskaper.

For eksempel er grafen ekstremt ledende, med elektroner som kan sirkulere i den med 1/300^del av lysets hastighet. Den er også en svært god varmeleder og har den høyeste strekkstyrken av alle materialer, til tross for at den er optisk gjennomsiktig og absorberer kun 2 % av innkommende synlig lys.

Kilde: Visual Capitalist

Mye mer enn grafen

Grafens unike egenskaper gjorde den umiddelbart til fokus for tusenvis av forskere som var ivrige etter å avdekke dens unike elektriske, kjemiske og fysiske egenskaper.

Imidlertid begynte andre å lure på om andre elementer enn karbon også kunne danne 2D-materialer. Svaret var ja, med teoretiske prediksjoner som lover hundrevis av potensielle 2D-materialer. Blant de viktigste og mest studerte 2D-materialene ved siden av grafen, kan vi nevne noen:

• Borofen, laget av boratomer, oppdaget først i 2015.
• Goldene, laget av gullatomer, produsert første gang i 2024.
• Silicene, laget av silisiumatomer.
• Fosforen, laget av fosforatomer.

Det ser også ut til at 2D-materialer ikke trenger å bestå av kun ett rent element – for eksempel monolag av molybden disulfid (MoS2) eller silisium nitrid (Si₃N₄).

Andre atomer kan også festes til monolaget, og skape en «ruglete» overflate, som når hydrogen legges til karbonatomene i grafen for å danne graphane.

By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

På grunn av denne ekstreme mangfoldigheten av materialer, begynner forskere først å avdekke potensialet til 2D-materialer.

Applikasjoner – grunnleggende aspekter

Generelt er det som gjør 2D-materialer unike at deres svært organiserte atomstruktur tillater en spesiell konfigurasjon av elektronene og den tette bindingen mellom atomene.

Dette forklarer igjen den eksepsjonelle elektriske ledningsevnen (elektronflyt), varmeledning (overføring av energinivåer mellom atomene) og fysisk styrke (kovalente bindinger mellom atomene på grunn av elektronutveksling).

2D-strukturen gir også disse materialene det høyeste spesifikke overflatearealet (overflate hvor interaksjoner er mulige) av alle kjente materialer. Dette gjør dem til utmerkede kandidater for nye former for katalysatorer eller generelt for å delta i kjemiske og elektriske reaksjoner.

Superledere

Fordi elektroner flyter nesten helt fritt på overflaten av 2D-materialer, har de blitt ansett som gode kandidater for superledning.

Superledning er det som skjer når et materiale kan lede elektrisitet uten noen motstand.

Dette betyr at ikke bare er det ingen energitap, noe som kan være svært nyttig for å transportere kraft over lange avstander, men det betyr også at en strøm som passerer gjennom materialet ikke genererer varme. Dette kan gjøre det utrolig nyttig for alle slags applikasjoner, fra databehandling til elbiler og praktisk talt all teknologi som bruker elektrisitet.

Teoretisk sett kan superledning, spesielt romtemperatur-superledning, muliggjøre mestring av kjernefysisk fusjon, fremdrift av skip med elektrisitet, billige og ultrarask maglev-tog, massedrev for å nå bane til svært lav kostnad, osv. (Vi utforsket i detalj spørsmålet om romtemperatur-superledere i vår dedikerte artikkel).

Mange 2D-materialer kan vise superledning under riktige forhold (f.eks. temperatur, trykk, osv.) inkludert:

• Elementære metallultratynne filmer.
• Kuperater.
• Perovskittoksider.
• Sjeldne jordmetaller tunge-fermionforbindelser.
• Grafen.
• Jernselenid på oksidoverflater.
• Organiske ledere på metalloverflater.

Halvledere

Halvledere er materialer som kan selektivt skifte fra en ledende tilstand (som overfører elektroner) til en isolerende tilstand (som blokkerer elektroner). Dette er det grunnleggende prinsippet som silisiumtransistorer og andre datakomponenter er bygget på, med 0 som ingen elektrisk strøm og 1 som tilstedeværelse av strøm.

Jo raskere en halvleder kan endre tilstand, desto raskere kan den tilhørende beregningen være.

Grafen

Først trodde forskere som studerte grafen at den kunne erstatte silisium i halvledere. Dessverre mangler den en viktig elektronisk egenskap kalt et «båndgap».

Et båndgap er det som bestemmer om et materiale vil bli betraktet som et metall (leder elektrisitet), en isolator (blokkerer elektrisitet), eller en halvleder (som kan skifte mellom å være ledende og isolerende).

Kilde: Energy Education

Problemet er at grafen ikke har noe båndgap i det hele tatt, noe som hindrer dens bruk som halvleder.

Dette var sant til 2024 da forskere kunngjorde at de klarte å lage verdens første halvleder laget av grafen.

“Vi har nå en ekstremt robust grafen-halvleder med ti ganger mobiliteten til silisium, og som også har unike egenskaper som ikke finnes i silisium.

“Vi måtte lære hvordan vi behandler materialet, hvordan vi gjør det bedre og bedre, og til slutt hvordan vi måler egenskapene. Det tok veldig, veldig lang tid.”

Goldene

Et annet 2D-materiale av interesse er goldene, i hovedsak grafen men med gull som erstatter karbonatomene.

Gull er allerede vanlig brukt i brikker og datakomponenter takket være sine ekstraordinære egenskaper, som motstand mot oksidasjon og svært høy elektrisk ledningsevne.

Med produksjonen i 2024 av det første goldene-monolaget, kan halvlederegenskaper legges til listen.

“Hvis du gjør et materiale ekstremt tynt, skjer det noe ekstraordinært – som med grafen. Det samme skjer med gull. Som du vet, er gull vanligvis et metall, men hvis et lag er ett atomtykt, kan gull bli en halvleder i stedet.”

Organiske halvledere

Organiske molekyler er bygget på et karbonrammeverk, sammen med andre elementer, vanligvis oksygen, nitrogen, svovel osv.

Nyere har forskere oppdaget at de kan tvinge organiske polymerer til å forbli i 2D-konfigurasjon og unngå at flere lag stabler seg på hverandre.

Kilde: POSTECH

De brukte deretter et trinn kalt p-type doping, som vanligvis brukes i produksjon av halvledere.

Dette refererer til å tilsette elementer til et halvledermateriale for å gjøre det enda mer ledende.

Kilde: Wikipedia by VectorVoyager

Det resulterende materialet har blitt beskrevet av forskerne som å ha «enestående elektrisk ledningsevne».

Så selv om materialer som grafen på en eller annen måte er for vanskelige å masseprodusere i en halvlederkonfigurasjon, eller goldene er for dyrt, vil organiske halvledere sannsynligvis være tilgjengelige for å muliggjøre adopsjon av 2D-halvledere i nær fremtid.

Supermaterialer

Mens de elektriske egenskapene er kjernen i vitenskapenes interesse for 2D-materialer, er deres fysiske egenskaper like imponerende.

For eksempel er grafen 200 ganger sterkere enn stål for en tilsvarende masse. Grafen kan integreres i betong, på samme måte som stål i pansret betong, og skape betong som er 2,5 ganger sterkere og 4 ganger mindre vannpermeabel. I tillegg ruster ikke grafen som stål, noe som gjør grafenforsterket betong ikke sårbar for «betongråte» forårsaket av jernoksidasjon, som sterkt begrenser levetiden til betongkonstruksjoner.

By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

Den ekstreme motstanden + den lave vekten til grafen og andre 2D-materialer kan også brukes til å lage bedre kroppsrustning.

Et annet anvendelsesområde kan være termisk styring. For eksempel fant forskere nylig at man kan fremstille et materiale som både er isolerende og stivt (en sjelden kombinasjon) ved å lage 2D-hybrid organisk-uregelære perovskitter.

2D-materialer som grafen og heksagonal boron-nitrid også kan brukes til å spre varme i elektroniske og optoelektroniske enheter.

Til slutt kan avanserte ultra-resistente 2D-materialer brukes til å realisere futuristisk infrastruktur, som for eksempel romheiser. Slike steg vil imidlertid bare bli realistiske når vi har funnet ut hvordan vi økonomisk kan produsere disse materialene ikke i gram eller kilo, men i millioner av tonn.

Bioteknologi

Den svært høye overflatenivået, den ekstremt tynne laget og unike kjemiske egenskapene gjør 2D-materialer til gode kandidater for mange nisjeapplikasjoner i medisinsk og bioteknologisk industri.

Dette inkluderer legemiddellevering, avbildning, vevsteknikk, biosensorer og gassensorer.

En annen faktor i fremveksten av 2D-materialer i biologiske applikasjoner er de nylige oppdagelsene som gjør dem i stand til å få en egenskap kalt kiralitet.

Kirality er et kjemisk begrep som betyr at molekyler har en venstre/høyre-symmetri. Kirality er en viktig egenskap ved organiske molekyler, for eksempel aminosyrer som er byggesteinene i proteiner.

Kilde: UC Santa Barbara

I molekyler kan kiralitet få biologiske eller kjemiske enheter til å eksistere i to versjoner som ikke kan matches perfekt, som i en venstre og høyre votte. De kan speile hverandre nøyaktig, men en venstre votte vil aldri passe høyre hånd like godt som den passer venstre hånd.

Pr. Dipanjan Pan

Nylig syntetiserte forskere borofen-plateletter, likt hvordan fragmenter av borofen ville gå inn i blodstrømmen. De oppdaget at de kirale egenskapene til de ulike versjonene av borofen interagerte forskjellig med cellenes membraner, og kom inn i cellene på ulike måter.

Dette åpner veien for å designe tilpassede borofen-strukturer for applikasjoner som “utvikling av høyoppløselig medisinsk avbildning med kontrast som kan spore celleinteraksjoner presist eller bedre legemiddellevering med presise material-celle-interaksjoner.”

En bedre forståelse av hvordan borofen-strukturen interagerer med levende celler vil også bidra til å klargjøre dens sikkerhetsprofil.

Selv om borofens helsesprofil fortsatt blir evaluert, ser det ut til at grafen til og med kan inhaleres trygt uten noen akutt risiko for menneskers helse. Disse resultatene er fortsatt svært foreløpige, men indikerer sannsynligvis at den raske spredningen av 2D-materialer ikke bør føre til folkehelseproblemer.

Og jo mer biokompatible de er, jo mer sannsynlig er det at de kan brukes til å utvikle biologiske sensorer eller drive nanoroboter i blodstrømmen vår.

Begrensninger

Produksjon i stor skala

Selv det mest etablerte og først oppdagede 2D-materialet, grafen, er fortsatt i stor grad domenet til laboratorier og oppstartsbedrifter.

Dette skyldes at produksjon i stor skala fortsatt er en vanskelig oppgave. Å lage små mengder er relativt enkelt, men å produsere massive mengder på en semi-automatisert måte er ikke.

Teip på et stykke grafitt var nok til å oppdage grafen. Men mye mer komplekse metoder som Chemical Vapor Deposition (CVD) er nødvendig for masseproduksjon.

Dette blir sakte men sikkert en realitet, med for eksempel publiseringen av en prosess for oksygenfri CVD som produserer høy-puritet grafen.

Liming

Et annet problem med 2D-materialer er at de, på grunn av sin tynne og unike kjemi, kan være vanskelige å lime på andre materialer.

Det krever ofte spesialiserte teknikker for å få et lag av grafen til å feste seg til databrikker, en strømforsyning eller en medisinsk enhet.

Dette kan være mye mer tidkrevende og ressurskrevende enn mindre effektive, men enklere å implementere alternativer.

Kostnader

Fordi de fleste produksjonsmetoder og applikasjoner på eksisterende enheter foreløpig er småskala eller skreddersydde, har 2D-materialer forblitt ganske dyre.

Den faktiske prisen kan variere kraftig avhengig av renhet, med for eksempel grafen som varierer mellom $20‑2 000/kg.

Dette betyr at selv til den billigste prisen er grafen fortsatt 20 ganger dyrere enn stål. I tillegg kreves sannsynligvis mer enn den lavest mulige renheten for å oppnå akseptabel ytelse ved erstatning av nevnte stål.

2D-materialselskaper

Feltet for 2D-materialer utvikler seg svært raskt, med nye alternativer som goldene som oppdages jevnlig, og ny innsikt i hvordan man kan optimalisere «gamle» materialer som å gjøre grafen til en halvleder.

Disse produktene vil sannsynligvis kun bli en stor økonomisk sektor når de produseres i skala ved hjelp av industrielle metoder.

Hittil er den mest avanserte og veldokumenterte metoden CVD, noe som gir en betydelig fordel til CVD-spesialister for å fange mye av verdien i 2D-materialproduksjon.

1. Veeco

Veeco har vært en viktig leverandør av utstyr til halvlederproduksjonsindustrien siden grunnleggelsen i 1945. Maskinene deres brukes i produksjon av avanserte EUV-brikker, 5G-antenner, harddisker, LIDAR, LED-er, kraftelektronikk for elbiler osv.

Kilde: Veeco

Bedriftens hovedteknologiske fokus er den samme CVD-prosessen som brukes til produksjon av borofen, eller mer presist, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).

Kilde: Veeco

Som leder i dette nisjesegmentet av halvlederindustrien kan Veeco være en god kandidat å satse på økningen av flere CVD-applikasjoner.

En slik vekst kan komme fra økt bruk av grafen, wolfram og borofen, etter hvert som vi blir bedre til å manipulere materie på atomnivå.

Den vil også sannsynligvis dra nytte av de massive trendene innen digitalisering, AI og elektrifisering, enten den snart bruker 2D-materialer i stor skala eller ikke.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG er en grafenprodusent som har fokusert sitt produkttilbud på allerede demonstrerte grafenbaserte produkter som varmekledning og smøremidler.

Dette gjør GMG til et godt alternativ for investorer som søker direkte eksponering mot grafenmarkedet og et selskap som allerede er aktivt i masseproduksjon av grafen og forbedring av den nåværende produksjonsmetoden.

Kilde: GMG

Noen ytterligere applikasjoner kan være opprettelsen av grafen-halvledere (se “Grafen-halvledere – Er de endelig her?”), eller til og med romtemperatur-superledere. Grafenbelegg kan også brukes i batterier og for hydrogentrykkbeholderteknologier.

Kilde: GMG

GMG produserer sin grafen fra metan + hydrogen, noe som skiller seg fra de fleste konkurrenter som produserer den fra naturlige grafittforekomster. Dette gir høyere renhet, større skalerbarhet og lavkostnadsproduksjon.

Selskapet lanserte sin første produksjonsanlegg i Australia i 2023, med opptil 1 million liter produksjon av varmekjelerbelegg per år.

Neste steg for selskapet vil være batteriteknologien basert på grafen-aluminiumion, med en energitetthet på 290 Wh/kg, 60 ganger raskere lading enn litium‑ion‑batterier, 3 ganger batterilevetid, og en bedre brannrisikoprofil.

Kilde: GMG

Dette inngangen i batterimarkedet kan være en stor gamble for GMG, men gir også selskapet et unikt perspektiv på det fremtidige markedet som kan åpnes for grafen, inkludert i elbiler og andre kraftrelaterte applikasjoner.