Forskere skaber et atom-Lego-sæt med 2-D vidundermaterialer

Det stærkeste materiale kendt for menneskeheden blev først opdaget med tape. I dag, denne todimensionale (2-D) version af kulstof kendt som grafen er genstand for intens forskning rundt om i verden. Mange håber, at dens unikke egenskaber kan føre til gennembrud inden for områder fra elektronik til medicin.

Med 2-D mener vi, at det er fremstillet af et enkelt lag atomer. I grafens tilfælde, disse er arrangeret i et sekskantet mønster, der hjælper med at gøre det utrolig stærkt. Det leder også elektricitet og varme på hidtil usete niveauer, er uigennemtrængelig for gasser og kan være både sprød og sej.

Selvom grafen har fået utrolig opmærksomhed og vundet sine opdagere en Nobelpris, det er ikke længere alene i verden af ​​2-D materialer. Mange andre lignende materialer er siden blevet forudsagt og isoleret, hver med lignende strukturelle egenskaber som grafen, men også en række unikke individuelle egenskaber.

Faktisk, der er så mange 2-D materialer med så mange forskellige egenskaber, at vi effektivt kan bruge dem til at designe og bygge nye 3D-materialer med de nøjagtige egenskaber, vi ønsker. Denne idé om et "Lego-sæt" i atomskala skaber potentielt uendelige muligheder for nye stoffer.

Teoretisk set næsten ethvert 3D-materiale kan have et 2-D-modstykke. Listen hidtil indeholder:silicene (et enkelt lag silicium), phosphoren (et enkelt lag sort fosfor), og forskellige monolag af kemiske forbindelser kendt som overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC'er), såsom molybdendisulfid (MoS₂) og molybdenditellurid (MoTe₂). Der forskes i sandsynligvis snesevis af metoder til at isolere disse materialer. De to hovedmetoder, der bruges, er mekanisk eksfoliering-som først var metoden til fremstilling af grafen ved at isolere individuelle lag med klæbebånd-og ved effektivt at dyrke et 2-D lag af krystaller direkte på en flad bund.

I praksis, imidlertid, der er mange begrænsninger for, hvad der i øjeblikket er muligt. Kun meget termisk og kemisk stabile materialer kan adskilles i enkeltlag, som straks rabatterer mange elementer. Og, en gang isoleret, især mange metalliske monolag har en tendens til at tære eller oxidere på en måde, der ødelægger deres ønskede egenskaber.

Når du har et 2-D materiale, du kan derefter lagre det med andre stoffer med meget forskellige kemiske egenskaber for at skabe "heterostrukturer". For eksempel kan vi kombinere halvledere med magneter, eller metaller med superledere. Listen over mulige kombinationer vokser eksponentielt.

Disse kan skræddersys med atompræcision ved hjælp af scanningstunnelmikroskoper. Disse metoder involverer at generere en elektrisk strøm mellem en overflade og spidsen af ​​den atomisk fine sonde for at opfange og flytte individuelle atomer. En sådan 2-D heterostruktur, der er blevet lavet i laboratoriet, kombinerer atomiske monolag af grafen og sekskantet bornitrid (h-BN).

Helt nye funktionaliteter

Både 2-D materialer og heterostrukturer har allerede fundet mange faktiske og potentielle anvendelser på tværs af en lang række områder. For eksempel, grafen har muliggjort drømmen om at "printe" kredsløb på fleksible plastbaser, i hvert fald i et laboratorium. I fremtiden, dette kan føre til forbrugerprodukter såsom fleksible tv'er, smartphones og mere brugervenlige bærbare enheder.

Opdagelsen af ​​en lang række andre 2-D materialer har åbnet op for næsten uendelige måder at kombinere forskellige egenskaber, hvilket enormt kunne forbedre eller fremskynde udviklingen af ​​disse applikationer. For eksempel, brug af h-BN som basis for grafenelektronik i stedet for det traditionelle siliciumdioxid kunne afbøde nogle af problemerne med teknologien. Fordi h-BN monolag er ultra-flade og kan isoleres på samme måde som grafen, det er muligt at fjerne atomfejl i basen, der forstyrrer grafenarkets egenskaber.

Desuden, fremskridt inden for 2-D materialeforskning muliggør en ny måde at gøre computerprocessorer endnu hurtigere; noget, der ses som afgørende for at opretholde fremskridtet inden for elektronisk teknologi. Computerchips foretager deres beregninger ved hjælp af et stort antal transistorer, som hver fungerer ved at flytte elektroner mellem forskellige lag af halvledermateriale. At have mere end én type 2-D materiale betyder, at du kan bruge dem til at gøre hvert af de forskellige halvlederlag kun et atom tykt. Når transistorer bliver mindre, flere af dem kan placeres på hver computerchip, og dette fører så naturligt til produktion af hurtigere processorer.

Vi kunne også se grafen og andre 2-D materialer, der bruges til at hjælpe med at generere og lagre energi. For eksempel, grafenbaserede heterostrukturer kan bruges til at skabe højeffektive og fleksible sol- og brændselsceller. Disse heterostrukturer bruges også til at udvikle næste generations batterier og superkapacitorer, som lover hurtigere opladning og udvidet energiudbytte. Forskere har endda formået at skabe 2-D versioner af materialer, der tidligere havde været umulige, såsom en 2-D version af mineralet perovskit, som kan bruges til at forbedre lysdioder.

Med væksten i elbiler og virksomheder som Tesla, der fører os mod en fremtid med grønnere energikonvertering og opbevaringsløsninger, der er helt sikkert et stort fokus på denne slags teknologi i en overskuelig fremtid.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.