Från Graphen till Goldene: Avancerade material med enstaka atomlager öppnar nya dörrar för framtida upptäckter

Ingen av oss tvivlar på gulds värde i våra sinnen. Trots allt är det den mest populära och långvariga värdebevararen. Men de vetenskapliga framsteg som mänskligheten har uppnått har nu fört oss till Goldenes dörrsteg. Och det kan bli en spelväxlare, för att säga det milt. Men vad är Goldene? Varför är den vetenskapliga gemenskapen så entusiastisk över det? Låt oss gå djupare.

Goldene: Guldark som bara är ett enda atomtjockt lager

För första gången har forskare från Linköping University, Sverige, skapat guldark vars tjocklek motsvarar ett enda atomlager. Forskarna har gett denna avledning namnet Goldene. Goldene kan vara användbart för en rad avancerade uppgifter, inklusive koldioxidomvandling, vätgasproduktion och framställning av värdeadderade kemikalier. 

Enligt Shun Kashiwaya, forskare vid Materials Design Division vid universitetet:

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

Hur skapades ‘Goldene’?

Uppfinningen började med utvecklingen av ett tredimensionellt basmaterial som skapades genom att bädda in guld mellan lager av titan och kol. Vid höga temperaturer ersattes det tunna kisel lagret i Titanium Silicon Carbide av guld, vilket ledde till upptäckten av Titanium Gold Carbide. Det var dock en slumpmässig upptäckt. Forskarna hade som mål att belägga den elektriskt ledande titanium silicon carbide med guld så att den kunde göra kontakt.  

För att utföra sitt arbete utnyttjade forskarna en traditionell metod som har funnits som en del av japansk smideskonst i mer än hundra år. Komponenten kallas Murakami’s reagent. Forskarna använde den i olika koncentrationer och under olika tidsperioder för att så småningom nå komponenten. 

Medan de äntligen kunde producera guldet i önskad tjocklek av ett enda atom, var det avgörande att göra dem stabila. De använde ett tensid, en lång molekyl för att separera och stabilisera arken, som ett ytaktivt medel för att säkerställa att arken inte krullar sig. 

Vid beskrivningen av det slutgiltiga resultatet och dess vetenskapliga validering hade Shun Kashiwaya, en av forskarna, följande att säga:

“De gyllene arken är i en lösning, lite som flingor i mjölk. Med hjälp av en typ av “sikt” kan vi samla guldet och undersöka det med ett elektronstråle-mikroskop för att bekräfta att vi har lyckats. Vilket vi har gjort.”

De många potentiella tillämpningarna av Goldene

Goldenes potentiella tillämpningar sträcker sig över ett brett spektrum av områden, inklusive koldioxidomvandling, vätgaskatalys, selektiv produktion av värdeadderade kemikalier, vätgasproduktion, vattenrening, kommunikation och mycket mer.

I det efterföljande arbetet planerar forskarna att undersöka möjligheten att minska mängden guld som används i dessa tillämpningar och ersätta guld med andra ädelmetaller. Dessa nya föreningar kan ha många fler nya tillämpningar. 

Medan Goldene lovar att öppna många nya dörrar när det gäller dess vetenskapliga och tekniska tillämpningar, är den vetenskapliga gemenskapens fascination för material med ett atomlager inte ny. 

Det nyfikna fallet med material med ett enkelatomlager: Grafen och mer

När vi talar om material med ett enkelatomlager måste vi nödvändigtvis diskutera grafen. Det är populärt på grund av sin potential. Extraherat från grafit, kolens kristallina form, är grafen lätt, elastisk och stark. Förutom sin tunnhet har den hög resistans, 200 gånger mer än stål. Ändå är den fem gånger lättare än aluminium. Den har också förmåga att absorbera ljus samt hög elektrisk och termisk ledningsförmåga.  

Grafen diskuteras mer nuförtiden på grund av ett genombrott som nyligen uppnåddes där forskare framgångsrikt demonstrerade den första funktionella grafenhalvledaren. Denna upptäckt kan leda till dramatiska förändringar inom databehandling och elektronik. 

Medan grafen kan vara det mest populära och brett tillämpbara materialet med ett enkelatomlager, finns det flera andra exempel i kategorin. 

Material med ett enkelatomlager kallas också för 2D icke-lagerade material. De får detta namn eftersom deras bildning sker genom kemisk bindning i tre dimensioner (3D), vilket resulterar i omättade frusna bindningar på ytan och ger en högaktiv och högenergi yta. 

Förutom grafen är ett exempel på ett sådant enkelatomlager svart fosfor, känt som fosforen. Bland andra icke-lagerade material har vi exempel på kisel och germanen. 

På grund av deras lagerberoende egenskaper, kant‑effekter och varierande bandstrukturer uppvisar dessa material ofta en unik uppsättning egenskaper vid sina kanter. De kan modifieras genom spänning eller applicerade elektriska fält, vilket också ger dem justerbara egenskaper. 

Metallkalkogenider, metalloxider, III‑V halvledare och organiskt‑oinorganiska perovskiter är bland de vanligaste enkelatomlager‑ eller tvådimensionella icke‑lagerade materialen. 

Låt oss kort titta på några av de verkliga exemplen på sådana material. Exempel på metallkalkogenider inkluderar molybdenumdisulfid (MoS2), volframdisulfid (WS2) och volframdiselenid (WSe2), medan indiumoxid (In2O3), tinnoxid (SnO2) och zinkoxid (ZnO) är framstående exempel på metalloxider. 

III‑V halvledare får sitt namn från att de består av ett grupp III‑element, såsom aluminium, gallium eller indium, bundet till ett grupp V‑element, såsom fosfor, arsenik eller antimon. Galliumarsenid och indiumfosfid är exempel på III‑V halvledare. 

Exempel på organiskt‑oinorganiska perovskiter inkluderar metylammoniumblyodiodid (MAPbI3) och formamidiniumblyodiodid (FAPbI3).

Dessa material kan hitta flera tillämpningar. Det finns företag som bygger lösningar på dem. I det kommande avsnittet kommer vi att titta närmare på dem. 

#1. Haydale Graphene Industries

Grafens inertiska natur gjorde den svår att använda. Haydale Graphene Industries, för att lösa problemet, utvecklade en pulver‑in, pulver‑ut‑process som sömlöst kan övervinna detta problem med plasmafunktionalisering. 

Denna process som kan frigöra grafens potential blev känd som Haydale HDPlas, en torr, ren och miljövänlig metod som kan förbättra grafen och andra nanomaterial genom att ge dem nödvändig mekanisk styrka samt förbättrad elektrisk och termisk ledningsförmåga. 

Haydale har utvecklat många intressanta grafenbaserade lösningar, inklusive ett sortiment av anpassningsbara grafenbläck för biomedicinska enheter, flexibel elektronik, värmeelement och bärbar teknik. De är också leverantör av funktionaliserad boronitrid, känd som vit grafen. Detta syntetiska keramiska material är giftfritt och finns i fast och pulverform. Dess egenskaper inkluderar isolering, styrka, vikt och elektrisk ledningsförmåga. 

Haydales portfölj av funktionaliserad grafen och nanomaterialtillsatser visar också sig effektiv i tillverkning av elastomerprodukter. Dessa kan användas i gummidyrlag och vägluftdäck, skosulor av gummi, tätningar och packningar. Silicon Carbide‑grafenprodukterna från Haydale används i keramisk‑polymer ytbehandling för att skydda betongprodukter. 

Med grafen har Haydale också utvecklat användbara kompositer, termoplaster och solskärningsverktyg. 

Nyligen meddelade Haydale (AIM: HAYD) sina interimsresultat för året som avslutades den 31 december 2023 (\”FY23\”). Enligt rapporten ökade koncernens intäkter med 38 % till £2,47 miljoner (H1 FY23 £1,78 miljoner).

#2. Siemens

Ett annat mycket avancerat användningsfall för grafenfolie kan ses i Siemens byggande av cyklotroner. En forskarteam använde grafenfolie som extraktor (stripper) folie i 11‑MeV Siemens Eclipse Cyclotron. 

Dessa folier uppvisade exceptionellt hög termisk ledningsförmåga jämfört med kol och betydande mekanisk styrka. Deras livslängd var mer än 16 000 PA*H. Användningen av grafenfolie resulterade också i en betydande ökning av transmissionsfaktorn – förhållandet mellan strålningsströmmen på stripperfolien och strömmen på målet – som var över 90 %. 

Experimentet visade hur grafenfolie med ett enkelatomlager effektivt kan konkurrera med andra kolfolier, som vanligtvis används som stripperfolier. 

Siemens är känt världen över för att tillverka högkvalitativa, sofistikerade och teknikintensiva produkter. Att ett sådant företag använder material med ett enkelatomlager i folieform visar potentialen för kategorin. 

Under räkenskapsåret 2023 tjänade Siemens en omsättning på 19,66 miljarder euro, en märkbar ökning från 17,39 miljarder euro som registrerades 2022. 

Fler utforskningar kring material med ett enkelatomlager

Ny forskning har visat att, förutom material som Goldene eller grafen, kan monolager av svart fosfor, även känt som fosforen, erbjuda tydliga fördelar i sensortillämpningar. Vetenskapsmän och forskare tillskriver dessa unika fördelar fosforens ”veckade” gitterstruktur, som ger materialet ett större yta‑till‑volym‑förhållande än grafen och övergångsmetall‑dikalkogenider (TMDC). Fosforen är mångsidig i sina tillämpningar och kan användas i olika sensorscenarier, inklusive gasesensorer, fuktighetssensorer, fotodetektion, biosensorer och jon‑sensorer. 

Fosforen visar också betydande löfte inom elektronik och optoelektronik. Vetenskapliga publikationer har avslöjat att dess intrinsiskt anisotropa elektroniska, transport‑, optoelektroniska, termoelektriska och mekaniska egenskaper skiljer sig markant från grafen och övergångs‑metall‑dikalkogenider. Den enkla tillverkningen och de nya egenskaperna hos fosforen har drivit design och demonstration av nya nanodevicer. 

Ett annat studie pekade på fördelarna med att kombinera grafen och fosforen. För att gå djupare in i hur denna kombination kan vara användbar, tittar vi på de jämförande resultaten för natriumjonbatterier som ett alternativ till litiumjonbatterier. Medan natriumjonbatterier uppvisar prestanda jämförbara med sina litiumjonmotsvarigheter, ligger utmaningen i att utveckla mer livskraftiga anodmaterial. Och här kommer kombinationen av grafen och fosforen in i bilden. 

I ett vetenskapligt experiment demonstrerade forskarna dess potential. Ett hybridmaterial bestående av några fosforenlager inbäddade mellan grafenlager kunde visa en specifik kapacitet på 2 440 mA h g⁻¹ (beräknad med endast fosforens massa) vid en strömtäthet på 0,05 A g⁻¹ och en kapacitetsbehållning på 83 % efter 100 cykler medan det opererade mellan 0 och 1,5 V. 

Forskarna använde in situ transmissionselektronmikroskopi och ex situ röntgendiffraktion för att förklara den stora kapaciteten hos den anod de utvecklade. De utvecklade den genom en dubbel mekanism där natriumjoner interkalerar längs x‑axeln i fosforenlagren, följt av bildandet av en Na₃P‑legering. 

Ett annat material med ett enkelatomlager som framgångsrikt har fångat den vetenskapliga gemenskapens fantasi är germanen. Intresset för germanen är främst för dess optiska egenskaper. Beräkningarna har visat att germanenarket har betydande ljusabsorption i solspektrumet och uppvisar optisk anisotropi. 

Germanen är unik eftersom den är en halvledare med noll bandgap och linjär banddispersion kring K‑punkten. Medan bandgapet öppnas i närvaro av spänning, ökar det linjärt med den ökande spänningsstyrkan. 

Alltså, inte bara Goldene utan en mängd material med ett enkelatomlager, inklusive grafen, fosforen, germanen och fler, är på väg att öppna nya vetenskapliga fronter för framtida upptäckter. 

Vi måste hålla vårt fokus stadigt på egenskaperna hos dessa material. Endast då kan vi upptäcka fler tillämpningar. Vi måste komma ihåg att den höga ytaaktiviteten hos 2D icke‑lagerade material gör dem till användbara katalysatorer för viktiga reaktioner, såsom koldioxidoxidation och vattens reduktion. 

Dessa material har bevisat sitt värde i energilagrning och omvandling genom att hjälpa till att utveckla bränsleceller och solceller. Inom optoelektronik resulterar deras egenskaper i produktionen av högkvalitativa lysdioder, lasrar och sensorer. Deras topologiska isoleringsegenskaper hjälper också till att skapa isolatorer som leder elektricitet på ytan men isolerar i bulk. 

Sammanlagt är avancerade material med ett enkelatomlager portar till en mängd möjligheter. I framtiden kommer vi säkert att bevittna en omfattande adoption! 

Klicka för listan över fem företag som leder utvecklingen av nanoteknik.