2D Materialer, Som Grafén, Åpner Opp For Ny Front I Materialevitenskap

En Tilfeldig Oppdagelse

De fleste fysiske gjenstander er laget av 3D-materialer. Fast material 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 som stoff kunne organiseres for å danne faste objekter. Men for 20 år siden (2004), oppdaget to forskere ved University of Manchester, Andre Geim og Professor Kostya Novoselov, et 2D-materiale, grafén. De oppdaget det nesten ved en tilfeldighet når de innsett at enkle lakkimbuskinn kunne brukes på grafitt (hva som gjør blyantspiss) for å skape en mono-atomisk lag av karbon.

Dette ville senere vinne dem Nobelprisen i fysikk i 2010.

Grafén består av karbonatomer, men i stedet for å være i uorganisert form (grafitt) eller organisert krystall (diamanter), er karbonatomene i grafén alignert i en mono-atomisk lag, som et ultra-tynt papirark. De oppdaget også at det er mulig å danne 1 eller null-dimensjonale materialer, som nanorør eller kvantedoter.

Kilde: Ossila

Hva gjør 2D-materialer spesielle er at denne unike konfigurasjonen kommer med unike fysiske egenskaper.

For eksempel er grafén ekstremt ledende, med elektroner som kan sirkulere i det med 1/300 del av lyshastigheten. Det er også en svært god varmeleder og har den høyeste trekkspenningen av noe materiale, til tross for å være optisk gjennomsiktig og absorberer bare 2% av innkommende synlig lys.

Kilde: Visual Capitalist

Mye Mer Enn Grafén

Graféns unike egenskaper gjorde det umiddelbart til fokus for tusenvis av forskere som var ivrige etter å avdekke dets unike elektriske, kjemiske og fysiske egenskaper.

Men andre begynte å undre seg om andre grunnstoffer enn karbon kunne danne 2D-materialer også. Svaret var ja, med teoretiske forutsigelser som lovet hundredvis av forskjellige potensielle 2D-materialer. Blant de viktigste og mest studerte 2D-materialet foruten grafén, kan vi nevne noen:

• Borofen, laget av bor-atomer, oppdaget så sent som i 2015.
• Gulden, laget av gull-atomer, produsert for første gang i 2024.
• Silisén, laget av silisium-atomer.
• Fosforen, laget av fosfor-atomer.

Det ser også ut til at 2D-materialer ikke trenger å bestå av bare ett rent grunnstoff—for eksempel, mono-lag av molybden-disulfid (MoS2) eller silisium-nitrid (Si₃N₄).

Andre atomer kan også festes til monolaget, og danne en “ru” overflate, som når man legger til hydrogen til karbon-atomene i grafén for å danne grafan.

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

Fordi av denne ekstreme mangfoldet av materialer, er forskerne bare begynt å avdekke potensialet til 2D-materialer.

Anvendelser – Grunnleggende Aspekter

I generell, hva gjør 2D-materialer spesielle er at deres svært organiserte atom-struktur tillater en unik konfigurasjon av deres elektroner og den tette bindingen mellom atomene.

Dette igjen forklarer den eksepsjonelle elektriske ledningsevnen (elektron-strøm), varmeledningsevnen (overføring av energinivåer mellom atomer) og fysiske styrken (kovalente bindinger mellom atomer på grunn av elektron-utveksling).

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

Superledere

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

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

Dette betyr ikke bare at det ikke er noen energitap, som kunne være svært nyttig for å føre strøm over lange avstander, men det betyr også at en strøm som går gjennom materialet ikke genererer noen varme. Dette kan gjøre det usedvanlig nyttig for alle slags anvendelser, fra datamaskiner til el-biler og virtuelt alle teknologier som bruker elektrisitet.

I teorien kunne superledning, spesielt rom-temperatur-superledning, tillate å mestre kjernefysisk fusjon, drive skip med elektrisitet, billig og svært rask magnetisk høyhastighetstog, masse-drev for å nå bane i en svært lav kostnad, osv. (Vi utforsket videre detaljene om rom-temperatur-superledere i vår dedikerte artikkel).

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

• Elementære metall-tynde filmer.
• Kuprater.
• Perovskitt-oksid.
• Sjeldne jord-metall tung-fermion-forbindelser.
• Grafén.
• Jern-selenid på oksid-overflater.
• Organiske ledere på metaller.

Halvledere

Halvledere er materialer som kan velge å skifte fra en ledende tilstand (som overfører elektroner) til en isolerende tilstand (som blokkerer elektroner). Dette er den grunnleggende prinsippet rundt hvilket silisium-transistorer og andre datamaskin-komponenter er bygget, med 0 som ingen elektrisk strøm og 1 som tilstedeværelse av strøm.

Jo raskere en halvleder kan skifte tilstand, jo raskere kan den tilknyttede beregningen utføres.

Grafén

Til å begynne med trodde forskerne som studerte grafén at det kunne erstatte silisium i halvledere. Uheldigvis mangler det en viktig elektronisk egenskap kalt en “båndgap”.

Et båndgap er hva som bestemmer om et materiale vil bli betraktet som en 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 grafén ikke har noen båndgap i det hele tatt, og hindrer dermed dets bruk som en halvleder.

Dette var sant inntil 2024 da forskerne annonserte at de klarte å lage verdens første halvleder laget av grafén.

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

“Vi måtte lære hvordan å behandle materialet, hvordan å gjøre det bedre og bedre, og til slutt, hvordan å måle egenskapene. Det tok en svært lang tid.”

Gulden

Et annet 2D-materiale av interesse er gulden, essensielt grafén men med gull som erstatter karbon-atomene.

Gull er allerede vanlig brukt i chip og datamaskin-komponenter takket være sine ekstraordinære egenskaper, som motstand mot oksidasjon og svært høy elektrisk ledningsevne.

Med produksjonen i 2024 av den første gulden-monolaget, kan halvleder-egenskaper bli lagt til listen.

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

Organiske Halvledere

Organiske molekyler består av en skjelett av karbon, sammen med andre grunnstoffer, vanligvis oksygen, nitrogen, svovel, osv.

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

Kilde: POSTECH

De brukte så en prosess kalt p-type doping, vanlig brukt i produksjonen av halvledere.

Dette refererer til å legge til grunnstoffer til et halvleder-materiale for å gjøre det enda mer ledende.

Kilde: Wikipedia by VectorVoyager

Materialet som resulterte fra dette ble beskrevet av forskerne som having “utmerket elektrisk ledningsevne”.

Så selv om materialer som grafén er for vanskelige å produsere i stor skala i en halvleder-konfigurasjon, eller gulden er for dyrt, vil organiske halvledere sannsynligvis være der for å tillate adopsjonen av 2D-halvledere i nær fremtid.

Super-Materialer

Mens elektriske egenskaper er kjernen av vitenskapsinteressen for 2D-materialer, er deres fysiske egenskaper like imponerende.

For eksempel er grafén 200 ganger sterkere enn stål for en tilsvarende masse. Grafén kunne integreres i betong, på samme måte som stål i armert betong, og skape en betong 2,5 ganger sterkere og 4 ganger mindre vann-permeabel. I tillegg rustet grafén ikke som stål, og gjør grafén-forsterket betong ikke sårbare for “betong-rot” forårsaket av jern-oksidasjon, som alvorlig begrenser levetiden til betong-strukturer.

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

Den ekstreme motstanden + lett vekt av grafén og andre 2D-materialer kunne også brukes til å skape bedre kroppspanser.

En annen anvendelse kan være termisk håndtering. For eksempel, forskere fant nylig at man kan produsere et materiale som er både isolerende og stivt ved å skape 2D-hybrid organiske-uorganiske perovskitter.

2D-materialer som grafén og heksagonal boron-nitrid kunne også brukes til å dissipere varme i elektroniske og optoelektroniske enheter.

Til slutt kunne avanserte ultra-resistente 2D-materialer brukes til å oppnå fremtidsrettet infrastruktur, som for eksempel rom-heiser. Men slike skritt vil bare være realistiske når vi har funnet ut hvordan å produsere disse materialene ikke bare i gram eller kilo, men i millioner av tonn.

Biotech

Svært høy overflate-nivå, ekstremt tynt lag og unike kjemiske egenskaper gjør 2D-materialer til gode kandidater for mange nisje-anvendelser i medisinske og bioteknologiske industrier.

Dette inkluderer legemiddel-levering, bildebehandling, vevsteknologi, biosensorer og gassensorer.

En annen faktor i fremveksten av 2D-materialer i biologiske anvendelser er de nylige oppdagelsene som tillater dem å gi dem en egenskap kalt kjiralitet.

Kjiralitet er en kjemisk term som betyr at molekyler har en venstre/høyre-symmetri. Kjiralitet er en viktig egenskap hos organiske molekyler, for eksempel aminosyrer som er byggesteinene til proteiner.

Kilde: UC Santa Barbara

I molekyler kan kjiralitet gjøre biologiske eller kjemiske enheter eksistere i to versjoner som ikke kan være fullstendig matchet, som i en venstre og høyre hanske. De kan speile hverandre nøyaktig, men en venstre hanske vil aldri passe den høyre hånden like godt som den passer den venstre hånden.

Pr. Dipanjan Pan

Nylig forskere syntetiserte borofen-plater, lignende hvordan fragmenter av borofen ville gå inn i blodstrømmen. De oppdaget at de kjirale egenskapene til de forskjellige versjonene av borofen interagerte forskjellig med cellenes membraner, og gikk inn i cellene forskjellig.

Dette åpner veien for å designe tilpassede borofen-strukturer for anvendelser som utvikling av høyoppløselige medisinske bilder med kontrast som kunne spore cell-interaksjoner eller bedre legemiddel-levering med nøyaktig materiale-celle-interaksjoner.

En bedre forståelse av hvordan borofen-struktur interagerer med levende celler vil også hjelpe med å klargjøre dets sikkerhetsprofil.

Mens borofens helseprofil ennå er under evaluering, ser det ut til at grafén kan være trygt å puste inn uten noen akutt risiko for menneskers helse. Disse resultater er fortsatt svært preliminære, men sannsynligvis indikerer at den raskt økende bruken av 2D-materialer ikke vil føre til offentlige helse-problemer.

Og jo mer biokompatibelt de er, jo mer sannsynlig er det at de kan brukes til å utvikle biologiske sensorer eller kraft nanoroboter i vår blodstrøm.

Begrensninger

Produksjon I Stor Skala

Selv den mest etablerte og første oppdagede 2D-materialet, grafén, er fortsatt svært mye laboratorie- og startup-området.

Dette er fordi produksjon i stor skala fortsatt er en vanskelig prosess. Å lage små mengder er lett, men å produsere store mengder på en semi-automatisert måte er ikke.

Lakkimbuskinn påklistret en grafitt-bit var nok til å oppdage grafén. Men mye mer komplekse metoder som kjemisk damp-deposisjon (CVD) er nødvendig for masseproduksjon.

Dette er sakte blir mer av en realitet, med, for eksempel, publisering av en prosess for oksygen-fri CVD som produserer høy-rent grafén.

Lime Det

En annen utfordring med 2D-materialer er at de, på grunn av deres tykkelse og unike kjemiske egenskaper, kan være vanskelige å lime på andre materialer.

Det krever ofte spesialiserte tekniker for å få et lag av grafén til å klebe til datamaskin-chip, en strømforsyning eller en medisinsk enhet.

Dette kan være mye mer tidskrevende og ressurs-intensivt enn mindre effektive, men lettere å implementere alternativer.

Kostnader

Fordi for nå, de fleste produksjonsmetodene og anvendelser til eksisterende enheter er hovedsakelig små-skala eller skreddersydd, har 2D-materialer forblett ganske dyre.

Den faktiske prisen kan variere mye avhengig av renhet, med for eksempel grafén som varierer mellom $20-2,000/kg.

Dette betyr at selv ved den billigste prisen er grafén 20 ganger dyrere enn stål. I tillegg, for å oppnå akseptabel ytelse i å erstatte stål, er det sannsynligvis nødvendig å bruke mer enn den laveste mulige renheten.

2D-Materiale Selskaper

Feltet av 2D-materialer utvikler seg svært raskt, med nye muligheter som gulden som blir oppdaget jevnlig, og nye innsikter i hvordan å optimalisere “gammelt” materiale som å gjøre grafén til en halvleder.

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

Så langt er den mest avanserte og godt dokumenterte metoden CVD, som gir en betydelig fordel til CVD-spesialister for å fange en stor del av verdien av 2D-materialet produksjon.

1. Veeco

Veeco har vært en stor leverandør av utstyr til halvleder-industrien siden grunnleggelsen i 1945. Deres maskiner brukes i produksjon av avanserte EUV-chip, 5G-antener, harddisker, LIDAR, LED-er, kraft-elektronikk for el-biler, osv.

Kilde: Veeco

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

Kilde: Veeco

Som en leder i denne nisjen av halvleder-industrien, kan Veeco være en god kandidat til å satse på økningen av CVD-anvendelser.

Slik vekst kan komme fra den økende bruken av grafén, wolfram og borofen, ettersom vi blir bedre til å manipulere materie på atom-nivå.

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

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG er en grafén-produsent som har fokusert sitt produkttilbud på allerede demonstrerte grafén-baserte produkter som varme-behandling og smøremiddel.

Dette gjør GMG til en god valg for investorer som søker direkte eksponering mot grafén-markedet og et selskap som allerede er aktivt i masseproduksjon av grafén og forbedring av den nåværende produksjonsmetoden.

Kilde: GMG

Noen ytterligere anvendelser kan være skaping av grafén-halvledere (se “Grafén-halvledere – Er de endelig her?”), eller sogar rom-temperatur-superledere. Grafén-behandling kan også finne anvendelse i batterier og for hydrogen-trykk-beholdere.

Kilde: GMG

Selskapet lanserte sin første produksjonsanlegg i Australia i 2023, med en årlig produksjonskapasitet på opptil 1 million liter varme-behandling.

Neste skritt for selskapet vil være dens batteri-teknologi basert på grafén-aluminium-ion, med en tetthet på 290 Wh/kg, 60 ganger raskere lading enn litium-ion-batterier, 3 ganger lengre batterilevetid og et bedre brannfare-profil.

Kilde: GMG

Dette inngangen i batteri-markedet kan være en stor sjanse for GMG, men gir også selskapet en unik perspektiv på fremtidige markeder som kan åpne for grafén, inkludert i el-biler og andre kraft-relaterte anvendelser.