Agham ng Materyales
2D Materials, Katulad ng Graphene, Nagbubukas ng Bagong Hangganan sa Agham ng Materyales
Isang Aksidenteng Pagkatuklas
Karamihan sa mga pisikal na bagay ay gawa sa 3D na materyales. Ang mga solidong materyales ay kadalasang binubuo ng mga organisadong atom sa mga nakatakdang 3D na estruktura na bumubuo ng mga metal at kristal o ng mga di-organisadong atom na bumubuo ng iba pang bagay.
Sa mahabang panahon, ito ang inakala bilang tanging anyo kung saan maaaring ayusin ang materya upang makabuo ng solidong bagay. Ngunit 20 taon na ang nakalipas (2004), dalawang mananaliksik sa University of Manchester, sina Andre Geim at Propesor Kostya Novoselov, ay nakatuklas ng isang 2D na materyal, ang graphene. Halos aksidenteng natuklasan nila ito nang mapansin nilang ang simpleng scotch tape na inilapat sa grapayt (na bumubuo ng mga dulo ng lapis) ay lumikha ng isang mono-atomikong patong ng carbon.
Ito ay nagbigay sa kanila ng Nobel Prize sa Pisika noong 2010.
Ang graphene ay binubuo ng mga atom ng carbon, ngunit sa halip na nasa di-organisadong anyo (grafayt) o organisadong kristal (diamante), sa graphene, ang mga atom ng carbon ay nakaayos sa isang mono-atomikong patong, katulad ng napakapinong papel. Natuklasan din nila na posible ring bumuo ng mga materyal na may 1 o zero dimensyon, tulad ng mga nanotube o quantum dot.
Pinagmulan: Ossila
Ang nagpapaspecial sa mga 2D na materyal ay ang natatanging konfigurasyong ito na may kasamang natatanging pisikal na katangian.
Halimbawa, ang graphene ay napakakondaktibo, kung saan ang mga electron ay maaaring umikot dito sa bilis na 1/300 ng bilis ng liwanag. Ito rin ay napakagandang konduktor ng init at may pinakamataas na tensile strength sa lahat ng materyal kahit na ito ay optikal na transparent, sumasipsip lamang ng 2% ng nasasaklaw na liwanag.
Pinagmulan: Visual Capitalist
Mas Marami Pa kaysa sa Graphene
Ang natatanging katangian ng graphene ay agad na nagdala nito sa sentro ng libu-libong mananaliksik na sabik tuklasin ang mga natatanging elektrikal, kemikal, at pisikal na katangian nito.
Gayunpaman, nagsimulang magtanong ang iba kung ang ibang elemento bukod sa carbon ay maaaring lumikha rin ng mga 2D na materyal. Ang sagot ay oo, na may teoretikal na prediksyon na nag-aalok ng daan-daang potensyal na 2D na materyal. Sa mga pinakamahalaga at pinag-aaralang 2D na materyal bukod sa graphene, maari naming banggitin ang ilan:
- Borophene, gawa sa mga atom ng boron, natuklasan lamang noong 2015.
- Goldene, gawa sa mga atom ng ginto, unang ginawa noong 2024.
- Silicene, gawa sa mga atom ng silikon.
- Phosphorene, gawa sa mga atom ng posporus.
Lumilitaw din na ang mga 2D na materyal ay hindi kailangang binubuo ng iisang purong elemento—halimbawa, mono-layer ng molybdenum disulfide (MoS2) o silicon nitride (Si3N4).
Maaaring ikabit din ang ibang atom sa monolayer, na lumilikha ng “magaspang” na ibabaw, tulad ng pagdaragdag ng hydrogen sa mga atom ng carbon ng graphene upang mabuo ang graphane.
By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
Dahil sa napakalawak na pagkakaiba-iba ng materyal, nagsisimula pa lamang ang mga mananaliksik na tuklasin ang potensyal ng mga 2D na materyal.
Mga Aplikasyon – Pangunahing Aspeto
Sa pangkalahatan, ang nagpapasikat sa mga 2D na materyal ay ang kanilang napakaorganisadong atomic na estruktura na nagbibigay-daan sa natatanging konfigurasyon ng kanilang mga electron at sa matibay na pagkakabuklod ng mga atom.
Ito naman ang nagpapaliwanag sa pambihirang electrical conductivity (daloy ng mga electron), thermal conduction (paglilipat ng antas ng enerhiya sa pagitan ng mga atom), at pisikal na lakas (covalent bonds sa pagitan ng mga atom dahil sa pagpapalitan ng mga electron).
Ang 2D na estruktura ay nagbibigay din sa mga materyal na ito ng pinakamataas na specific surface area (supap na kung saan maaaring maganap ang mga interaksyon) sa lahat ng kilalang materyal. Ginagawa nitong mahusay na kandidato para sa mga bagong anyo ng katalista o, sa pangkalahatan, para makilahok sa mga kemikal at elektrikal na reaksyon.
Superkonduktor
Dahil halos malayang dumadaloy ang mga electron sa ibabaw ng mga 2D na materyal, itinuturing silang magagandang kandidato para sa superconductivity.
Ang superconductivity ay nangyayari kapag ang isang materyal ay nakakakondakta ng kuryente nang walang anumang resistensya.
Ibig sabihin nito ay wala nang pagkawala ng enerhiya, na maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang para sa paghahatid ng kuryente sa mahabang distansya, at nangangahulugan din na ang kasalukuyang dumadaloy sa materyal ay hindi nagbubuo ng init. Ito ay maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang para sa iba’t ibang aplikasyon, mula sa kompyutasyon hanggang sa mga EV at halos anumang teknolohiya na gumagamit ng kuryente.
Sa teorya, ang superconductivity, lalo na ang room-temperature superconductivity, ay maaaring magbigay-daan sa pag-master ng nuclear fusion, pagpapalipad ng mga barko gamit ang kuryente, murang at napakabilis na maglev na tren, mass driver para maabot ang orbit sa napakababang gastos, atbp. (Mas detalyado naming sinuri ang tanong tungkol sa room-temperature superconductors sa aming nakalaang artikulo).
Maraming 2D na materyal ang maaaring magpakita ng superconductivity sa tamang kondisyon (hal., temperatura, presyon, atbp.), kabilang ang:
- Mga ultra-manipis na pelikula ng elemental na metal.
- Cuprates.
- Perovskite oxides.
- Mga compound ng rare-earth metal heavy-fermion.
- Graphene.
- Iron selenide sa mga oxide surface.
- Organic conductors sa mga metal surface.
Semikonduktor
Ang mga semikonduktor ay mga materyal na kayang selektibong magpalit mula sa kondaktibong estado (na nagpapadala ng mga electron) patungo sa isolanteng estado (na humaharang sa mga electron). Ito ang pangunahing prinsipyo kung saan binubuo ang mga silicon transistor at iba pang elemento ng kompyutasyon, kung saan ang 0 ay walang kuryente at ang 1 ay may kasalukuyang kuryente.
Kapag mas mabilis ang pagpalit ng estado ng semikonduktor, mas mabilis din ang kaugnay na komputasyon.
Graphene
Sa simula, inakala ng mga mananaliksik na nag-aaral ng graphene na maaari itong palitan ang silicon sa mga semikonduktor. Sa kasamaang palad, kulang ito sa isang mahalagang elektronikong tampok na tinatawag na “band gap.”
Ang band gap ay tumutukoy kung ang isang materyal ay ituturing na metal (nagkokondakta ng kuryente), isolator (humaharang sa kuryente), o semikonduktor (na maaaring magpalit sa pagitan ng pagiging kondaktibo at isolante).
Pinagmulan: Energy Education
Ang problema ay walang band gap ang graphene, kaya hindi ito magagamit bilang semikonduktor.
Naging totoo ito hanggang 2024 nang ipahayag ng mga mananaliksik na nagawa nila ang kauna-unahang semikonduktor sa mundo na gawa sa graphene.
“Ngayon ay mayroon na kaming napakamatibay na graphene semikonduktor na may sampung beses na mas mataas na mobility kaysa sa silicon, at may mga natatanging katangian na hindi matatagpuan sa silicon.
“Kailangan naming matutunan kung paano pangasiwaan ang materyal, kung paano ito paghusayin nang higit pa, at sa huli, kung paano sukatin ang mga katangian. Tumagal ito ng napaka‑mahabang panahon.”
Goldene
Isa pang 2D na materyal na kawili-wili ay ang goldene, na halos katulad ng graphene ngunit pinalitan ang mga atom ng carbon ng ginto.
Ang ginto ay karaniwang ginagamit na sa mga chip at komponent ng kompyuter dahil sa mga kahanga-hangang katangian nito, tulad ng resistensya sa oksidasyon at napakataas na electrical conductivity.
Sa paglikha noong 2024 ng unang goldene monolayer, maaaring maidagdag ang mga katangian ng semikonduktor sa listahan.
“Kung gagawing napakamanipis ang isang materyal, may nangyayaring kakaiba – tulad ng sa graphene. Ganun din ang nangyayari sa ginto. Alam mo, ang ginto ay karaniwang metal, ngunit kung ang isang patong ay isang atom lamang ang kapal, maaaring maging semikonduktor ang ginto.”
Organikong Semikonduktor
Ang mga organikong molekula ay binubuo ng balangkas na carbon, kasama ang iba pang elemento tulad ng oxygen, nitrogen, sulfur, atbp.
Kamakailan, natuklasan ng mga mananaliksik na maaari nilang pilitin ang mga organikong polymer na manatili sa 2D na konfigurasyon at iwasan ang pag-iipon ng maraming patong.
Pinagmulan: POSTECH
Pagkatapos, gumamit sila ng hakbang na tinatawag na p-type doping, na karaniwang ginagamit sa paggawa ng mga semikonduktor.
Ito ay tumutukoy sa pagdaragdag ng mga elemento sa isang semikonduktor na materyal upang ito ay maging mas kondaktibo.
Pinagmulan: Wikipedia by VectorVoyager[/caption>
Ang nagresultang materyal ay inilarawan ng mga mananaliksik bilang may “natatanging electrical conductivity”.
Kaya kahit na ang mga materyal tulad ng graphene ay napakahirap i-mass produce sa konfigurasyong semikonduktor, o ang goldene ay napakamahal, malamang na naroroon ang mga organikong semikonduktor upang payagan ang pag-aampon ng 2D semikonduktor sa malapit na hinaharap.
Super-Material
Habang ang mga elektrikal na katangian ang sentro ng interes ng mga siyentipiko sa 2D na materyal, ang mga pisikal na katangian nito ay kapantay ding kahanga-hanga.
Halimbawa, ang graphene ay 200 beses na mas matibay kaysa sa bakal para sa katumbas na masa. Maaaring isama ang graphene sa kongkreto, tulad ng bakal sa armored concrete, na lumikha ng kongkretong 2.5 beses na mas matibay at 4 beses na mas hindi tumatagas ng tubig. Bukod pa rito, hindi kinakalawang ang graphene tulad ng bakal, kaya ang graphene-reinforced na kongkreto ay hindi madaling masira ng “concrete rot” na dulot ng oksidasyon ng bakal, na labis na nagpapababa ng buhay ng mga estruktura ng kongkreto.
[caption id="attachment_258308" align="aligncenter" width="743"]
Ang napakataas na resistensya + magaan na timbang ng graphene at iba pang 2D na materyal ay maaaring magamit upang lumikha ng mas mahusay na body armor.
Isa pang larangan ng aplikasyon ay ang pamamahala ng init. Halimbawa, kamakailan natuklasan ng mga mananaliksik na maaari kang gumawa ng materyal na parehong isolante at matigas (isang bihirang kombinasyon) sa pamamagitan ng paglikha ng 2D hybrid organic-inorganic perovskites.
Ang mga 2D na materyal tulad ng graphene at hexagonal boron-nitride ay maaari ring magamit upang magpalabas ng init sa mga elektronikong at optoelectronic na aparato.
Sa huli, ang mga advanced na ultra-resistent na 2D na materyal ay maaaring magamit upang makamit ang mga futuristic na imprastruktura, tulad ng halimbawa ng space elevators. Gayunpaman, magiging realistiko lamang ang mga hakbang na ito kapag nalaman na natin kung paano ekonomikong gawin ang mga materyal na ito hindi sa gramo o kilo, kundi sa milyong tonelada.
Bioteknolohiya
Ang napakataas na surface area, napakamanipis na patong, at natatanging kemikal na katangian ay ginagawa ang mga 2D na materyal na mahusay na kandidato para sa maraming niche na aplikasyon sa medikal at biotech na industriya.
Kabilang dito ang drug delivery, imaging, tissue engineering, biosensors, at gas sensors.
Isa pang salik sa pag-usbong ng mga 2D na materyal sa mga biological na aplikasyon ay ang mga kamakailang tuklas na nagbibigay sa kanila ng katangiang tinatawag na chirality.
Ang chirality ay isang terminong kemikal na nangangahulugang ang mga molekula ay may kaliwa/kanan na simetriya. Ang chirality ay mahalagang tampok ng mga organikong molekula, halimbawa, ang mga amino acid na bumubuo ng mga protina.
Pinagmulan: UC Santa Barbara
Sa mga molekula, maaaring magdulot ang chirality na ang mga yunit na biyolohikal o kemikal ay umiiral sa dalawang bersyon na hindi maaaring magkatugma nang perpekto, tulad ng kaliwa at kanang guwantes. Maari silang mag-mirror nang eksakto, ngunit ang kaliwang guwantes ay hinding-hindi magkasya nang maayos sa kanang kamay tulad ng sa kaliwang kamay.
Pr. Dipanjan Pan
Kamakailan, nagsintetiko ang mga mananaliksik ng mga borophene platelet, na katulad ng kung paano pumapasok ang mga fragment ng borophene sa daloy ng dugo. Natuklasan nila na ang mga chiral na katangian ng iba’t ibang bersyon ng borophene ay nakikipag-ugnayan nang iba sa mga membran ng selula, at pumapasok sa mga selula nang iba.
Nagbubukas ito ng daan sa pagdidisenyo ng mga pasadyang estruktura ng borophene para sa mga aplikasyon tulad ng “pag-unlad ng mas mataas na resolusyon na medikal na imaging na may contrast na maaaring eksaktong subaybayan ang interaksyon ng selula o mas mahusay na drug delivery na may tumpak na interaksyon ng materyal-selula.”
Ang mas mahusay na pag-unawa kung paano nakikipag-ugnayan ang estruktura ng borophene sa mga buhay na selula ay makatutulong din upang linawin ang kanyang safety profile.
Habang ang health profile ng borophene ay patuloy pang sinusuri, lumalabas na ang graphene ay maaaring ligtas na malanghap nang walang anumang agarang panganib sa kalusugan ng tao. Ang mga resulta ay paunang pa lamang ngunit malamang na nagpapahiwatig na ang mabilis na paglaganap ng mga 2D na materyal ay hindi dapat magdulot ng mga isyu sa pampublikong kalusugan.
At habang mas bio-compatible ang mga ito, mas malaki ang posibilidad na magamit ang mga ito sa pagbuo ng mga biological sensor o magbigay ng enerhiya sa mga nanorobot sa ating daloy ng dugo.
Mga Limitasyon
Paggawa sa Malaking Sukat
Kahit ang pinaka-established at unang natuklasang 2D na materyal, ang graphene, ay nananatiling nasa larangan ng mga laboratoryo at startup.
Ito ay dahil ang paggawa nito sa malakihang sukat ay nananatiling mahirap. Ang paggawa ng maliit na dami ay medyo madali, ngunit ang paggawa ng napakalaking dami sa semi-automatized na paraan ay hindi.
Ang scotch tape na inilapat sa isang piraso ng grapayt ay sapat na upang matuklasan ang graphene. Ngunit mas kumplikadong mga pamamaraan tulad ng Chemical Vapor Deposition (CVD) ang kinakailangan para sa mass production.
Unti-unti itong nagiging realidad, halimbawa, sa ang paglalathala ng proseso para sa oxygen-free CVD na gumagawa ng high-purity na graphene.
Pagdidikit Nito
Isa pang isyu sa mga 2D na materyal ay dahil napakamanipis at natatangi ang kanilang kemikal, mahirap silang idikit sa ibang materyales.
Kadalasan ay nangangailangan ito ng mga espesyal na teknik upang makadikit ang isang patong ng graphene sa mga computer chip, power supply, o medikal na aparato.
Ito ay maaaring mas matagal at mas maraming resources kumpara sa mga hindi gaanong epektibo ngunit mas madaling ipatupad na alternatibo.
Mga Gastos
Dahil sa ngayon, karamihan sa mga paraan ng produksyon at aplikasyon sa mga umiiral na aparato ay maliit na sukat o pasadyang ginagawa, ang mga 2D na materyal ay nananatiling medyo mahal.
Ang aktwal na presyo ay maaaring mag-iba nang malaki depende sa purity, halimbawa ang graphene ay nagkakahalaga mula $20 hanggang $2,000/kg.
Ibig sabihin, kahit sa pinakamurang presyo, ang graphene ay 20 beses na mas mahal kaysa sa bakal. Bukod pa rito, upang makamit ang katanggap-tanggap na pagganap sa pagpapalit ng nasabing bakal, marahil ay kailangan ng higit pa sa pinakamababang posibleng purity.
Mga Kumpanya ng 2D Material
Ang larangan ng mga 2D na materyal ay mabilis na umuunlad, na may mga bagong opsyon tulad ng goldene na regular na natutuklasan, at bagong kaalaman kung paano i-optimize ang mga “lumang” materyal tulad ng paggawa ng graphene na maging semikonduktor.
Malamang na magiging isang pangunahing sektor pang-ekonomiya ang mga produktong ito kapag nagawa na sa malakihang sukat gamit ang mga industriyal na pamamaraan.
Sa ngayon, ang pinaka-advanced at maayos na dokumentadong pamamaraan ay ang CVD, na nagbibigay ng malaking kalamangan sa mga espesyalista sa CVD upang makuha ang malaking bahagi ng halaga ng paggawa ng mga 2D na materyal.
1. Veeco
(VECO )
Ang Veeco ay naging pangunahing tagapagtustos ng kagamitan sa industriya ng paggawa ng semikonduktor mula nang itatag ito noong 1945. Ang mga makina nito ay ginagamit sa paggawa ng advanced EUV chip, 5G antenna, hard drive, LIDAR, LED, power electronics para sa mga EV, atbp.
Pinagmulan: Veeco
Ang pangunahing teknolohikal na pokus ng kumpanya ay ang parehong CVD process na ginagamit sa paggawa ng borophene, o mas tiyak, ang MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).
Pinagmulan: Veeco
Bilang lider sa segmentong ito ng industriya ng semikonduktor, maaaring maging magandang kandidato ang Veeco upang tumaya sa pagtaas ng mas maraming aplikasyon ng CVD.
Ang ganitong paglago ay maaaring magmula sa lumalawak na paggamit ng graphene, tungsten, at borophene, habang patuloy tayong nagiging mas mahusay sa pagmanipula ng materya sa antas ng atom.
Malamang din itong makinabang mula sa malawak na trend ng digitalization, AI, at electrification, kahit na agad itong gumamit ng 2D na materyal o hindi.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
Ang GMG ay isang tagagawa ng graphene na nagtuon ng kanilang alok ng produkto sa mga napatunayang graphene-based na produkto tulad ng heat coating at lubricants.
Ginagawa nitong magandang opsyon ang GMG para sa mga mamumuhunan na naghahanap ng direktang exposure sa merkado ng graphene at isang kumpanyang aktibo na sa mass-production ng graphene at pagpapabuti ng kasalukuyang paraan ng produksyon.
Pinagmulan: GMG
Ang ilang karagdagang aplikasyon ay maaaring ang paglikha ng graphene semikonduktor (tingnan ang “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o kahit mga room-temperature superconductor. Ang graphene coating ay maaari ring magamit sa mga baterya at para sa teknolohiya ng hydrogen pressure vessel.
Pinagmulan: GMG
Ang GMG ay gumagawa ng graphene mula sa methane + hydrogen, na naiiba sa karamihan ng mga kakumpitensya nito na gumagawa mula sa natural na deposito ng grapayt. Nagbibigay ito ng mas mataas na purity, mas malaking scalability, at mababang gastos sa produksyon.
Inilunsad ng kumpanya ang unang pasilidad ng produksyon sa Australia noong 2023, na may kapasidad na hanggang 1 milyong litro ng produksyon ng heat exchanger coating bawat taon.
Ang susunod na hakbang para sa kumpanya ay ang teknolohiyang baterya batay sa graphene aluminum ion, na may densidad na 290 Wh/kg, 60 beses na mas mabilis mag-charge kumpara sa lithium-ion na baterya, 3 beses na mas mahabang buhay ng baterya, at mas mahusay na fire hazard profile.
Pinagmulan: GMG
Ang pagpasok na ito sa merkado ng baterya ay maaaring isang malaking pustahan para sa GMG, ngunit nagbibigay din ito ng natatanging pananaw sa hinaharap na merkado na maaaring buksan para sa graphene, kabilang sa mga EV at iba pang aplikasyon na may kinalaman sa enerhiya.
