2D‑material, som grafen, öppnar nya fronter inom materialvetenskapen

En slumpmässig upptäckt

De flesta fysiska föremål är gjorda av 3D‑material. Solida material är ofta sammansatta av antingen organiserade atomer i förutbestämda 3D‑strukturer som bildar metaller och kristaller eller oorganiserade atomer som bildar andra saker.

Under en lång tid antogs detta vara den enda formen som materia kunde organiseras i för att bilda solida föremål. Men för 20 år sedan (2004) två forskare vid Manchester‑universitetet, Andre Geim och professor Kostya Novoselov, upptäckte ett 2D‑material, grafen. De upptäckte det nästan av en slump när de insåg att enkel tejp applicerad på grafit (det som gör blyertspennspetsar) skapade ett monoatomärt lager av kol.

Detta skulle senare ge dem Nobelpriset i fysik 2010.

Grafen består av kolatomer, men istället för att vara i en oorganiserad form (grafit) eller organiserad kristall (diamant), är kolatomerna i grafen inriktade i ett monoatomärt lager, som ett ultratunt pappersark. De upptäckte också att det är möjligt att bilda material med en eller noll dimension, som nanotuber eller kvantprickar.

Källa: Ossila

Det som gör 2D‑material speciella är att denna unika konfiguration medför unika fysiska egenskaper.

Till exempel är grafen extremt ledande, med elektroner som kan cirkulera i den med 1/300^th av ljusets hastighet. Den är också en mycket bra värmeledare och har den högsta draghållfastheten av alla material, trots att den är optiskt transparent och bara absorberar 2 % av infallande synligt ljus.

Källa: Visual Capitalist

Mycket mer än grafen

Grafens unika egenskaper gjorde den omedelbart till fokus för tusentals forskare som ivrigt ville avslöja dess unika elektriska, kemiska och fysiska egenskaper.

Men andra började undra om andra element än kol också kunde skapa 2D‑material. Svaret var ja, med teoretiska förutsägelser som lovade hundratals olika potentiella 2D‑material. Bland de viktigaste och mest studerade 2D‑materialen förutom grafen kan vi nämna några:

• Borophene, tillverkad av boratomer, upptäckt först 2015.
• Goldene, tillverkad av guldatomer, producerad första gången 2024.
• Silicene, tillverkad av kiselatomer.
• Phosphorene, tillverkad av fosforatomer.

Det verkar också att 2D‑material inte måste bestå av endast ett rent element – till exempel monolager av molybdenumdisulfid (MoS2) eller kiselnitrit (Si₃N₄).

Andra atomer kan också fästas på monolagret, vilket skapar en “grov” yta, som när väte läggs till kolatomerna i grafen för att bilda graphane.

Av Edgar181 (talk) – Eget verk, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

På grund av detta extrema materialmångfald börjar forskare bara nu avslöja potentialen hos 2D‑material.

Tillämpningar – Grundläggande aspekter

Generellt sett är det som gör 2D‑material unika deras mycket organiserade atomstruktur som möjliggör en unik konfiguration av deras elektroner och den täta bindningen mellan atomerna.

Detta förklarar i sin tur den exceptionella elektriska ledningsförmågan (elektronflöde), värmeledningen (överföring av energinivåer mellan atomer) och den fysiska styrkan (kovalenta bindningar mellan atomer på grund av elektronutbyte).

2D‑strukturen ger dessutom dessa material den högsta specifika ytan (yta där interaktioner är möjliga) av alla kända material. Detta gör dem till utmärkta kandidater för nya former av katalysatorer eller, i allmänhet, för att delta i kemiska och elektriska reaktioner.

Supraledare

Eftersom elektroner flödar nästan helt fritt på ytan av 2D‑material har de betraktats som goda kandidater för supraledning.

Supraledning är vad som händer när ett material kan leda elektricitet utan någon motstånd.

Det betyder att det inte bara saknas energiförlust, vilket kan vara mycket användbart för att transportera kraft över långa avstånd, utan också att en ström som passerar genom materialet inte genererar någon värme. Detta kan göra det otroligt användbart för alla möjliga tillämpningar, från databehandling till elbilar och i princip all teknik som använder elektricitet.

I teorin skulle supraledning, särskilt supraledning vid rumstemperatur, kunna möjliggöra behärskning av kärnfusion, driva skepp med elektricitet, billiga & ultrasnabba maglev‑tåg, massdrivare för att nå omloppsbana till mycket låg kostnad, etc. (Vi utforskade frågan om supraledare vid rumstemperatur mer i detalj i vår dedikerade artikel).

Plenty of 2D materials might display superconductivity in the right conditions (e.g., temperature, pressure, etc.,) including:

• Elementära metallultratunna filmer.
• Kuperater.
• Perovskitoxider.
• Sällsynt jordmetall tunga fermionföreningar.
• Grafen.
• Järnselenid på oxidytor.
• Organiska ledare på metallytor.

Halvledare

Halvledare är material som kan selektivt växla från ett ledande tillstånd (som överför elektroner) till ett isolerande tillstånd (som blockerar elektroner). Detta är den grundläggande principen som silikonstransistorer och andra beräkningselement är byggda på, där 0 betyder ingen elektrisk ström och 1 betyder närvaro av ström.

Ju snabbare en halvledare kan byta tillstånd, desto snabbare kan den associerade beräkningen vara.

Grafen

Till en början trodde forskare som studerade grafen att den kunde ersätta kisel i halvledare. Tyvärr saknar den en viktig elektronisk egenskap som kallas ett “bandgap”.

Ett bandgap är det som avgör om ett material kommer att betraktas som en metall (leder elektricitet), en isolator (blockerar elektricitet) eller en halvledare (som kan växla mellan att vara ledande och isolerande).

Källa: Energy Education

Problemet är att grafen helt saknar bandgap, vilket hindrar dess användning som halvledare.

Detta var sant tills 2024 när forskare meddelade att de lyckades skapa världens första halvledare tillverkad av grafen.

“Vi har nu en extremt robust grafenhalvledare med tio gånger högre rörlighet än kisel, och som också har unika egenskaper som inte finns i kisel.

“Vi var tvungna att lära oss hur man behandlar materialet, hur man förbättrar det gång på gång, och slutligen hur man mäter egenskaperna. Det tog väldigt, väldigt lång tid.”

Goldene

Ett annat intressant 2D‑material är goldene, i princip grafen men med guld som ersätter kolatomerna.

Guld används redan ofta i chip och datorkomponenter tack vare sina extraordinära egenskaper, såsom motstånd mot oxidation och mycket hög elektrisk ledningsförmåga.

Med produktionen 2024 av det första goldene‑monolagret, kan halvledaregenskaper läggas till listan.

“Om du gör ett material extremt tunt händer något extraordinärt – som med grafen. Samma sak händer med guld. Som du vet är guld vanligtvis en metall, men om ett lager är ett enda atom tjockt kan guld istället bli en halvledare.”

Organiska halvledare

Organiska molekyler består av ett kolbaserat skelett, tillsammans med andra element, vanligtvis syre, kväve, svavel osv.

Nyligen upptäckte forskare att de kan tvinga organiska polymerer att förbli i 2D‑konfiguration och undvika att flera lager staplas på varandra.

Källa: POSTECH

De använde sedan ett steg som kallas p‑typ dopning, som vanligtvis används vid produktion av halvledare.

Detta innebär att lägga till element i ett halvledarmaterial för att göra det ännu mer ledande.

Källa: Wikipedia by VectorVoyager

Det resulterande materialet har beskrivits av forskarna som att ha “enastående elektrisk ledningsförmåga”.

Så även om material som grafen på något sätt är för svåra att massproducera i en halvledarkonfiguration, eller goldene är för dyrt, kommer organiska halvledare sannolikt att finnas för att möjliggöra antagandet av 2D‑halvledare inom en snar framtid.

Supermaterial

Medan elektriska egenskaper är kärnan i forskarnas intresse för 2D‑material, är deras fysiska egenskaper lika imponerande.

Till exempel är grafen 200 gånger starkare än stål för motsvarande massa. Grafen kan integreras i betong, på samma sätt som stål i armerad betong, och skapa en betong som är 2,5 gånger starkare och 4 gånger mindre vattengenomtränglig. Dessutom rostar inte grafen som stål, vilket gör grafenförstärkt betong okänslig för ”betongrutt” som orsakas av järnoxidation, vilket kraftigt begränsar livslängden på betongkonstruktioner.

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

Den extrema motståndskraften + den låga vikten hos grafen och andra 2D‑material kan också användas för att skapa bättre kroppsrustning.

Ett annat tillämpningsområde kan vara värmehantering. Till exempel upptäckte forskare nyligen att man kan tillverka ett material som både är isolerande och styvt (en sällsynt kombination) genom att skapa 2D‑hybrida organiskt‑oinorganiska perovskiter.

2D‑material som grafen och hexagonal boron‑nitrid kan också användas för att avleda värme i elektroniska och optoelektroniska enheter.

Slutligen kan avancerade ultraresistenta 2D‑material användas för att skapa futuristisk infrastruktur, som till exempel rymdliftar. Sådana steg blir dock bara realistiska när vi har löst hur man ekonomiskt producerar dessa material inte i gram eller kilo, utan i miljoner ton.

Bioteknik

Mycket hög ytnivå, extremt tunn lager och unika kemiska egenskaper gör 2D‑material till bra kandidater för många nischade tillämpningar inom medicin och bioteknik.

Det inkluderar läkemedelsleverans, avbildning, vävnadsengineerering, biosensorer och gassensorer.

En annan faktor i framväxten av 2D‑material i biologiska tillämpningar är de senaste upptäckterna som möjliggör att ge dem en egenskap som kallas kiralitet.

Kiralitet är en kemisk term som betyder att molekyler har en vänster/höger‑symmetri. Kiralitet är en viktig egenskap hos organiska molekyler, till exempel aminosyrorna som är byggstenarna i proteiner.

Källa: UC Santa Barbara

I molekyler kan kiralitet göra att biologiska eller kemiska enheter existerar i två versioner som inte kan matchas perfekt, som en vänster‑ och högermonke. De kan spegla varandra exakt, men en vänsterhandske kommer aldrig passa högerhanden lika bra som den passar vänsterhanden.

Prof. Dipanjan Pan

Nyligen syntetiserade forskare borofenplattor, liknande hur fragment av borofen skulle gå in i blodomloppet. De upptäckte att de kirala egenskaperna hos de olika versionerna av borofen interagerade olika med cellmembranerna och trängde in i cellerna på olika sätt.

Detta öppnar vägen för att designa skräddarsydda borofenstrukturer för tillämpningar som “utveckling av högupplöst medicinsk avbildning med kontrast som exakt kan spåra cellinteraktioner eller bättre läkemedelsleverans med precist material‑cellinteraktioner.”

En bättre förståelse för hur borofenstrukturen interagerar med levande celler kommer också att hjälpa till att klargöra dess säkerhetsprofil.

Medan borofens hälsoprofil fortfarande utvärderas, verkar det som att grafen till och med kan inhaleras säkert utan någon akut risk för människors hälsa. Dessa resultat är fortfarande mycket preliminära men indikerar sannolikt att den snabba spridningen av 2D‑material inte bör leda till folkhälsoproblem.

Och ju mer biokompatibla de är, desto mer sannolikt är det att de kan användas för att utveckla biologiska sensorer eller driva nanorobotar i vårt blodomlopp.

Begränsningar

Tillverkning i skala

Även det mest etablerade och först upptäckta 2D‑materialet, grafen, är fortfarande i stor utsträckning domänen för laboratorier och startups.

Detta beror på att produktion i skala fortfarande är en knepig fråga. Att tillverka små mängder är relativt enkelt, men att producera massiva mängder på ett semi‑automatiserat sätt är inte det.

Tejp applicerad på en bit grafit var tillräckligt för att upptäcka grafen. Men mycket mer komplexa metoder som kemisk ångdeposition (CVD) krävs för massproduktion.

Detta blir sakta men säkert en realitet, med exempelvis publiceringen av en process för syrefri CVD som producerar högren grafen.

Limning

Ett annat problem med 2D‑material är att de på grund av sin tunna och unika kemiska natur kan vara svåra att limma på andra material.

Det kräver ofta specialiserade tekniker för att få ett lager av grafen att fästa på datorkomponenter, en strömförsörjning eller en medicinsk enhet.

Detta kan vara mycket mer tidskrävande och resursintensivt än mindre effektiva men enklare att implementera alternativ.

Kostnader

Eftersom de flesta produktionsmetoder och tillämpningar på befintliga enheter för närvarande är mest småskaliga eller skräddarsydda, har 2D‑material förblivit ganska dyra.

Det faktiska priset kan variera kraftigt beroende på renhet, med exempelvis grafen som ligger mellan $20‑2 000/kg.

Detta innebär att även till det billigaste priset är grafen fortfarande 20 gånger dyrare än stål. Dessutom krävs sannolikt mer än den lägsta möjliga renheten för att uppnå acceptabel prestanda vid ersättning av nämnda stål.

2D‑materialföretag

Fältet för 2D‑material utvecklas mycket snabbt, med nya alternativ som goldene som upptäcks regelbundet, och ny insikt i hur man optimerar “gamla” material som att omvandla grafen till en halvledare.

Dessa produkter kommer sannolikt först bli en stor ekonomisk sektor när de produceras i skala med industriella metoder.

Hittills är den mest avancerade och väl dokumenterade metoden CVD, vilket ger en betydande fördel för CVD‑specialister att fånga mycket av värdet i 2D‑materialtillverkning.

1. Veeco

Veeco har varit en stor leverantör av utrustning till halvledartillverkningsindustrin sedan grundandet 1945. Dess maskiner används för att producera avancerad EUV‑chipframställning, 5G‑antenner, hårddiskar, LIDAR, LED‑lampor, kraftelektronik för elbilar osv.

Källa: Veeco

Företagets huvudteknologiska fokus är samma CVD‑process som används för borofenproduktion, eller mer exakt, MOCVD (Metallorganisk kemisk ångdeposition).

Källa: Veeco

Som ledare inom detta nischsegment av halvledarindustrin kan Veeco vara en bra kandidat att satsa på ökningen av fler CVD‑tillämpningar.

En sådan tillväxt kan härröra från den ökande användningen av grafen, volfram och borofen, i takt med att vi blir bättre på att manipulera materia på atomnivå.

Den kommer sannolikt också att dra nytta av de massiva trenderna inom digitalisering, AI och elektrifiering, oavsett om den snart använder 2D‑material i stor skala eller inte.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG är en grafenproducent som har fokuserat sitt produktsortiment på redan demonstrerade grafenbaserade produkter som värmebeläggning och smörjmedel.

Detta gör GMG till ett bra alternativ för investerare som söker direkt exponering mot grafenmarknaden och ett företag som redan är aktivt i massproduktion av grafen och förbättring av den nuvarande produktionsmetoden.

Källa: GMG

Vissa ytterligare tillämpningar kan vara skapandet av grafenhalvledare (se “Grafenhalvledare – Är de äntligen här?”), eller till och med supraledare vid rumstemperatur. Grafenbeläggning kan också användas i batterier och för vätetryckbehållarteknik.

Källa: GMG

GMG producerar sin grafen från metan + väte, vilket skiljer sig från de flesta av sina konkurrenter som producerar den från naturliga grafitavlagringar. Detta möjliggör högre renhet, större skalbarhet och lågkostnadsproduktion.

Företaget lanserade sin första produktionsanläggning i Australien 2023, med upp till 1 miljon liter värmeväxlarebeläggningsproduktion per år.

Nästa steg för företaget blir dess batteriteknik baserad på grafenaluminiumjon, med en energitäthet på 290 Wh/kg, 60 gånger snabbare laddning än litiumjonbatterier, 3 gånger batteriets livslängd och en bättre brandriskprofil.

Källa: GMG

Detta inträde på batterimarknaden kan vara ett stort spel för GMG, men ger också företaget ett unikt perspektiv på den framtida marknad som kan öppnas för grafen, inklusive i elbilar och andra kraftrelaterade tillämpningar.