Når forudsigelser fra teoretiske kemikere bliver til virkelighed

Thomas Heine, professor i teoretisk kemi ved TU Dresden, sammen med sit team, forudsagde først en topologisk 2-D polymer i 2019. Kun et år senere, et internationalt hold ledet af italienske forskere var i stand til at syntetisere disse materialer og eksperimentelt bevise deres topologiske egenskaber. For det anerkendte tidsskrift Naturmaterialer , dette var anledningen til at invitere Thomas Heine til en nyheds- og visningsartikel, som blev offentliggjort i denne uge. Under titlen "Gør 2-D topologiske polymerer til virkelighed, " Prof. Heine beskriver, hvordan hans teori blev til virkelighed.

Ultratynde materialer er ekstremt interessante som byggesten til næste generation af nano elektroniske enheder, da det er meget nemmere at lave kredsløb og andre komplekse strukturer ved at forme 2-D lag til de ønskede former. Thomas Heine, Professor i teoretisk kemi ved TU Dresden, arbejder på forudsigelsen af ​​sådanne innovative materialer. Deres egenskaber kan beregnes præcist ved hjælp af moderne metoder til beregningskemi, allerede før de er blevet realiseret i laboratoriet.

Denne forskning er især interessant for 2-D polymerer:deres gittertype er defineret af formen på deres byggesten, og dem kan vælges fra den næsten uendelige række af plane organiske molekyler, som matcher den nødvendige struktur. Et særligt interessant eksempel er kagome gitteret, som består af hjørnerne og kanterne af en tresekskantet flisebelægning. I 2019, Yu Jing og Thomas Heine foreslog at syntetisere sådanne 2-D polymerer fra trekantede organiske molekyler (såkaldte triangulener). Disse materialer har en kombineret honeycomb-kagome struktur (se figur). Deres beregninger tyder på, at disse 2-D strukturer kombinerer egenskaberne af grafen (kvasi masseløse ladningsbærere) med egenskaberne for superledere (flade elektroniske bånd).

Nu er det lykkedes den italienske materialeforsker Giorgio Contini og hans internationale team at syntetisere denne 2-D honeycomb kagome polymer, som offentliggjort i Naturmaterialer tidligere i denne uge. En innovativ overfladesyntesemetode gjorde det muligt at fremstille krystaller af så høj kvalitet, at de var egnede til eksperimentel karakterisering af elektroniske egenskaber.

Ja, de forudsagte fascinerende topologiske egenskaber blev afsløret. Dermed, for første gang, det kunne eksperimentelt bevises, at topologiske materialer kan realiseres via 2-D polymerer.

Forskning i 2-D polymerer er således placeret på et solidt grundlag. Kagome-gitteret beskrevet her er kun ét eksempel ud af hundredvis af muligheder for at forbinde plane molekyler med regulære gitter. For nogle af disse varianter, andre interessante elektroniske egenskaber er allerede blevet forudsagt teoretisk. Dette åbner adskillige nye muligheder for teoretikere og eksperimentalister inden for kemi og fysik til at udvikle materialer med hidtil ukendte egenskaber.

Prof. Heine forklarer:"Disse resultater viser, at 2-D polymerer kan være materialer med nyttige elektroniske egenskaber, selvom deres strukturer er meget mere bredmaskede end almindelige elektroniske materialer, med afstande på mere end en nanometer mellem gitterpunkterne. Forudsætningen er, at materialerne er af fremragende strukturel kvalitet. Dette inkluderer en høj krystallinitet og en meget lav defektdensitet. Et andet vigtigt bidrag fra kollegerne omkring prof. Contini er, at selvom 2-D polymererne blev produceret på en metaloverflade, de kan tages af og overføres til et hvilket som helst andet underlag, såsom siliciumoxid eller glimmer, og dermed integreres i elektroniske enheder."