Mula sa Graphene hanggang Goldene: Mga Advanced na Single-Atom Layer Materials Nagbubukas ng Bagong Pinto para sa Hinaharap na Diskubre

Wala tayong alinlangan sa halaga ng ginto sa ating isipan. Pagkatapos lahat, ito ang pinakakilalang at pinakamatagal na store of value. Gayunpaman, ang mga siyentipikong pag-unlad na naabot ng sibilisasyon ay nagdala na sa atin sa pintuan ng Goldene. At maaaring ito ay magbago ng laro, sa pinakamababa. Pero ano ang Goldene? Bakit napaka-excited ng komunidad ng siyensiya dito? Tingnan natin nang mas malalim.

Goldene: Mga Sheet ng Ginto na Isa Lamang Isang Atom na Makapal

Sa unang pagkakataon, mga mananaliksik mula sa Linköping University, Sweden, ay lumikha ng mga sheet ng ginto na ang kapal ay katumbas ng isang atom na patong. Tinawag ng mga mananaliksik ang derivasyong ito na Goldene. Maaaring magamit ang Goldene sa maraming sopistikadong gawain, kabilang ang pag-convert ng carbon dioxide, paggawa ng hydrogen, at produksyon ng mga value-added na kemikal. 

Ayon kay Shun Kashiwaya, isang mananaliksik sa Materials Design Division sa Unibersidad:

“Kung gagawing napakapayat ang isang materyal, may nangyayaring kakaiba – tulad ng sa graphene. Ganun din ang nangyayari sa ginto. Alam mo, karaniwang metal ang ginto, pero kung isang atom na patong lang ang kapal, maaaring maging semiconductor ang ginto.”

Paano Nilikhang ‘Goldene’?

Nagsimula ang imbensyon sa pag-develop ng tatlong-dimensional na base material na nilikha sa pamamagitan ng pag-embed ng ginto sa pagitan ng mga patong ng titanium at carbon. Sa mataas na temperatura, ang manipis na patong ng silicon ng Titanium Silicon Carbide ay pinalitan ng Ginto, na nagdala sa pagk discover ng Titanium Gold Carbide. Gayunpaman, ito ay isang pagkakataon lamang na natuklasan. Ang mga mananaliksik ay naglalayong balutin ang electrically conductive titanium silicon carbide ng ginto upang makagawa ng contact.  

Upang maisakatuparan ang kanilang trabaho, ginamit ng mga mananaliksik ang tradisyunal na pamamaraan na bahagi ng sining ng pag-forge ng Hapon sa loob ng higit isang siglo. Ang sangkap ay tinatawag na Murakami’s reagent. Ginamit nila ito sa iba’t ibang konsentrasyon at sa iba’t ibang tagal upang sa huli ay maabot ang sangkap. 

Habang nagawa na nilang lumikha ng mga sheet ng ginto sa nais na kapal na isang atom, mahalaga na maging matatag ang mga ito. Gumamit sila ng tenside, isang mahabang molekula upang paghiwalayin at patatagin ang mga sheet, bilang surfactant upang matiyak na hindi mag-ikot ang mga sheet. 

Habang inilalarawan ang huling output at ang siyentipikong beripikasyon nito, sinabi ni Shun Kashiwaya, isa sa mga mananaliksik:

“Ang mga sheet ng ginto ay nasa solusyon, medyo katulad ng cornflakes sa gatas. Gamit ang isang uri ng “sieve,” maaari naming kolektahin ang ginto at suriin ito gamit ang electron microscope upang kumpirmahin na nagtagumpay kami. Na nagtagumpay kami.”

Maraming Posibleng Aplikasyon ng Goldene

Ang potensyal na aplikasyon ng Goldene ay sumasaklaw sa malawak na hanay ng mga larangan, kabilang ang pag-convert ng carbon dioxide, katalisis na nagpo-produce ng hydrogen, selektibong paggawa ng value-added na kemikal, paggawa ng hydrogen, paglilinis ng tubig, komunikasyon, at marami pang iba.

Sa susunod na yugto, plano ng mga mananaliksik na tuklasin ang posibilidad na bawasan ang dami ng ginto na ginagamit sa mga aplikasyon na ito at palitan ang ginto ng iba pang mahahalagang metal. Ang mga bagong compound na ito ay maaaring magkaroon ng marami pang bagong aplikasyon. 

Habang nangangako ang Goldene na magbubukas ng maraming bagong pintuan sa larangan ng siyentipiko at teknolohikal na aplikasyon, hindi bago ang pagkahumaling ng komunidad ng siyensiya sa mga single-layer atom materials. 

Ang Kakaibang Kaso ng Single-Layer Atom Materials: Graphene at Iba Pa

Kapag pinag-uusapan natin ang single-layer atom materials, hindi maiiwasan ang pagbanggit sa Graphene. Ito ay popular dahil sa potensyal nito. Kinuha mula sa Graphite, ang kristal na anyo ng carbon, ang Graphene ay magaan, elastic, at matibay. Bukod sa manipis nito, may mataas itong resistensya, 200 beses kaysa sa bakal. Gayunpaman, limang beses itong mas magaan kaysa sa aluminyo. Mayroon din itong kakayahan sa pag-absorb ng liwanag at mataas na electrical at thermal conductivity.  

Ang Graphene ay mas pinag-uusapan ngayon dahil sa isang breakthrough kamakailan kung saan nagawang ipakita ng mga mananaliksik ang unang functional na graphene semiconductor. Ang discovery na ito ay maaaring magdulot ng dramatikong pagbabago sa mundo ng computing at electronics. 

Habang maaaring ang graphene ang pinaka-popular at malawak na magagamit na single-layer atom material, may ilang iba pang halimbawa sa kategoryang ito. 

Ang mga single-layer atom materials ay kilala rin bilang 2D non-layered materials. Tinawag silang ganoon dahil ang kanilang pagbuo ay nangyayari sa pamamagitan ng chemical bonding sa tatlong dimensyon (3D), na nagreresulta sa unsaturated dangling bonds sa ibabaw at nagdudulot ng mataas na aktibidad at mataas na enerhiya sa ibabaw. 

Bukod sa Graphene, isang halimbawa ng ganitong single-layer material ay ang black phosphorus, kilala bilang phosphorene. Sa iba pang non-layered materials, mayroon tayong mga halimbawa ng silicone at germanene. 

Dahil sa kanilang layer-dependent na katangian, layer-edge effects, at variable band structures, madalas na nagpapakita ang mga materyales ng natatanging set ng katangian sa kanilang mga gilid. Maaaring i-modify ang mga ito sa pamamagitan ng strain o applied electric fields, na nagbibigay din ng tuning properties. 

Ang mga metal chalcogenides, metal oxides, III-V semiconductors, at organic-inorganic perovskites ay kabilang sa ilan sa mga pinaka-karaniwang single-layer atom o two-dimensional non-layered materials. 

Tingnan natin nang mabilis ang ilang totoong halimbawa ng mga materyales na ito. Ang mga halimbawa ng Metal Chalcogenides ay kinabibilangan ng molybdenum disulphide (MoS2), tungsten disulphide (WS2), at tungsten diselenide (WSe2), habang ang indium oxide (In2O3), tin oxide (SnO2), at zinc oxide (ZnO) ay pangunahing halimbawa ng metal oxides. 

Ang mga III-V semiconductors ay nagmula sa pangalan dahil binubuo nila ng isang group III element, tulad ng aluminum, gallium, o indium, na nakakabit sa isang group V element, tulad ng phosphorus, arsenic, o antimony. Ang Gallium Arsenide at Indium Phosphate ay mga halimbawa ng III-V semiconductors. 

Ang mga halimbawa ng organic-inorganic perovskites ay kinabibilangan ng methyl ammonium lead iodide (MAPbI3) at formamidinium lead iodide (FAPbI3).

Ang mga materyales na ito ay maaaring magkaroon ng ilang aplikasyon. May mga negosyo na bumubuo ng solusyon gamit ang mga ito. Sa susunod na bahagi, titingnan natin ang mga ito. 

#1. Haydale Graphene Industries

Ang inert na katangian ng Graphene ay nagpadali sa pag-adopt nito. Haydale Graphene Industries, upang lutasin ang isyu, ay nag-develop ng powder-in, powder-out process na maaaring walang kahirap-hirap na malampasan ang problemang ito ng plasma functionalization. 

Ang prosesong ito na maaaring pakawalan ang potensyal ng Graphene ay kilala bilang Haydale HDPlas, isang tuyo, malinis, at environment-friendly na pamamaraan na maaaring gawing mas mahusay ang graphene at iba pang nanomaterials sa pamamagitan ng pagbibigay ng kinakailangang mechanical strength at pinahusay na electrical at thermal conductivity. 

Ang Haydale ay nakabuo ng maraming kawili-wiling graphene-based solutions, kabilang ang hanay ng customizable graphene inks para sa biomedical devices, flexible electronics, heating elements, at wearable technology. Ito rin ay provider ng functionalized boron nitride, kilala bilang white graphene. Ang synthetic ceramic material na ito ay non-toxic at maaaring matagpuan sa solid at powder form. Ilan sa mga katangian nito ay insulation, strength, weight, at electrical conductivity. 

Ang portfolio ng Haydale ng functionalized graphene at nanomaterial additives ay epektibo rin sa paggawa ng elastomer products. Maaari itong magamit sa rubber bicycle at road tires, footwear rubber soles, seals, at gaskets. Ang Silicon Carbide graphene products ng Haydale ay ginagamit sa ceramic-polymer surface treatment upang protektahan ang concrete products. 

Gamit ang graphene, nakabuo rin ang Haydale ng kapaki-pakinabang na composites, thermoplastics, at solar cutting tools. 

Kamakailan inanunsyo ng Haydale (AIM: HAYD) ang kanilang Interim results para sa taon na nagtapos noong 31 Disyembre 2023 (“FY23”). Ayon sa ulat, tumaas ang Group Revenues ng 38% sa £2.47 milyon (H1 FY23 £1.78 milyon).

#2. Siemens

Isa pang napaka-advanced na use case para sa graphene foils ay maaaring makita sa pagtatayo ng Siemens ng cyclotrons. Ang isang grupo ng mga mananaliksik ay gumamit ng graphene foils bilang extractor (stripper) foil sa 11-MeV Siemens Eclipse Cyclotron. grupo ng mga mananaliksik 

Ang mga foil na ito ay nagpakita ng napakataas na thermal conductivity kumpara sa carbon at malaking mechanical strength. Ang kanilang lifespan ay higit sa  16,000 PA*H. Ang paggamit ng graphene foils ay nagresulta rin sa malaking pagtaas ng transmission factor—ang ratio ng beam current sa stripper foil sa current sa target—na higit sa 90%. 

Ipinakita ng eksperimento kung paano ang single-atom-layer graphene foils ay maaaring epektibong makipagkumpetensya sa ibang carbon foils, na karaniwang ginagamit bilang stripper foils. 

Ang Siemens ay kilala sa buong mundo sa paggawa ng high-end, sophisticated, at technology-intensive na produkto. Ang isang kumpanyang gumagamit ng single-layer atom materials sa anyong foil ay nagpapakita ng potensyal ng kategorya. 

Sa FY 2023, Siemens earned a revenue of 19.66 bilyong Euro, isang kapansin-pansing pagtaas mula sa 17.39 bilyong Euro na naitala noong 2022. 

Karagdagang Pagsusuri sa mga Single-Atom Layer Materials

Kamakailan na pananaliksik ay nagpakita na, bukod sa mga materyales tulad ng Goldene o Graphene, ang monolayer Black Phosphorus, kilala rin bilang Phosphorene, ay nag-aalok ng natatanging mga benepisyo sa mga sensing application. Ang mga siyentipiko at mananaliksik ay nag-aatribute ng mga natatanging benepisyo na ito sa “puckered” lattice structure ng Phosphorene, na nagbibigay sa materyal ng mas malaking surface-to-volume ratio kaysa sa graphene at transition metal dichalcogenides (TMDCs). Ang Phosphorene ay versatile sa mga aplikasyon at maaaring magamit sa iba’t ibang sensing scenarios, kabilang ang gas sensing, humidity sensing, photo-detection, bio-sensing, at ion-sensing.

Ang Ipinakita ng mga siyentipikong publikasyon na ang intrinsically anisotropic electronic, transport, optoelectronic, thermoelectric, at mechanical properties nito ay malaki ang pagkakaiba sa mga katangian ng graphene at transition-metal dichalcogenides. Ang kadalian ng fabrication at mga bagong katangian ng phosphorene ay nagpasigla sa disenyo at demonstrasyon ng mga bagong nanodevices. 

Isa pang pag-aaral ang nagpunta sa mga benepisyo ng pagsasama ng graphene at phosphorene. Upang mas mapalalim kung paano maaaring maging kapaki-pakinabang ang kombinasyong ito, titingnan natin ang comparative standings ng sodium-ion batteries bilang alternatibo sa lithium-ion batteries. Habang ang sodium-ion batteries ay nagpapakita ng performance na katumbas ng kanilang lithium-ion counterparts, ang hamon ay ang pag-develop ng mas viable na anode materials. Dito pumapasok ang kombinasyon ng graphene‑phosphorene.

Sa isang siyentipikong eksperimento, ipinakita ng mga mananaliksik ang potensyal nito. Ang hybrid material na binubuo ng ilang phosphorene layers na nakalagay sa pagitan ng graphene layers ay maaaring magpakita ng specific capacity na 2,440 mA h g⁻¹ (kalkulado gamit lamang ang mass ng phosphorus) sa current density na 0.05 A g⁻¹ at 83% capacity retention pagkatapos ng 100 cycles habang nag-ooperate sa pagitan ng 0 at 1.5 V. 

Gumamit ang mga mananaliksik ng in situ transmission electron microscopy at ex-situ X-ray diffraction techniques upang ipaliwanag ang malaking kapasidad ng anode na kanilang binuo. Binuo nila ito sa pamamagitan ng dual mechanism ng sodium ions na nag-intercalate sa x-axis ng phosphorene layers, kasunod ng pagbuo ng Na3P alloy.

Isa pang single-atom layer material na matagumpay na nakakuha ng imahinasyon ng komunidad ng siyensiya ay ang Germanene. Ang interes sa Germanene ay pangunahing para sa mga optical properties nito. Ipinakita ng kaugnay na kalkulasyon na ang Germanene sheet ay may makabuluhang light absorption sa solar spectrum at nagpapakita ng optical anisotropy. 

Ang Germanene ay natatangi dahil ito ay semiconductor na may zero band gap at linear band dispersion sa paligid ng K point. Habang ang band gap opening ay nangyayari sa presensya ng bias voltage, ito ay tumataas nang linear sa pagtaas ng lakas ng bias voltage.

Kaya, hindi lang Goldene kundi marami pang single-atom layer materials, kabilang ang graphene, phosphorene, germanene, at iba pa, ay magbubukas ng mga bagong scientific frontiers para sa hinaharap na mga diskubre. 

Dapat nating panatilihin ang ating focus sa mga katangian ng mga materyales na ito. Sa ganoong paraan lamang natin matutuklasan ang higit pang mga aplikasyon. Dapat nating alalahanin na ang mataas na surface activity ng 2D non-layered materials ay ginagawang kapaki-pakinabang na catalysts para sa mahahalagang reaksyon, tulad ng oxidation ng carbon dioxide at reduction ng tubig. 

Ang mga materyales na ito ay napatunayan ang kanilang halaga sa energy storage at conversion sa pamamagitan ng pagtulong sa pagbuo ng fuel cells at solar cells. Sa optoelectronics, ang kanilang mga katangian ay nagreresulta sa paggawa ng high-quality light-emitting diodes, lasers, at sensors. Ang kanilang topological insulation properties ay tumutulong din sa paggawa ng insulators na nagko-conduct ng kuryente sa kanilang ibabaw ngunit insulating sa bulk.

Sa kabuuan, ang advanced single-atom layer materials ay mga gateway patungo sa napakaraming oportunidad. Sa hinaharap, tiyak na makikita natin ang malawakang pag-aampon! 

I-click para sa listahan ng limang kumpanya na nangunguna sa pag-unlad ng nanotechnology.