Vi skabte ved et uheld et nyt vidundermateriale, der kunne revolutionere batterier og elektronik

Nogle af de mest berømte videnskabelige opdagelser skete ved et uheld. Fra teflon og mikrobølgeovnen til penicillin, forskere, der forsøger at løse et problem, finder nogle gange uventede ting. Det er præcis sådan, vi skabte phosphoren -nanoribbons - et materiale fremstillet af en af ​​universets grundlæggende byggesten, men det har potentiale til at revolutionere en lang række teknologier.

Vi havde forsøgt at adskille lag af fosforkrystaller i todimensionelle ark. I stedet, vores teknik skabte lille, tagliatelle-lignende bånd et enkelt atom tykt og kun 100 eller deromkring atomer på tværs, men op til 100, 000 atomer lange. Vi brugte tre år på at finpudse produktionsprocessen, før vi offentliggør vores resultater.

De todimensionelle bånd har en række bemærkelsesværdige egenskaber. Deres forhold mellem bredde og længde svarer til de kabler, der spænder over Golden Gate Bridge. De er utroligt ensartede, men manipulerbar bredde tillader deres egenskaber, såsom om og hvordan de leder elektricitet, at blive finjusteret. De er også utrolig fleksible, hvilket betyder, at de kan følge konturerne på alle overflader, de sættes på perfekt, og endda være snoet.

Transformativt potentiale

Mere end 100 videnskabelige artikler forudsagde disse nanobånds transformative potentiale, skulle det være muligt at skabe dem, på tværs af en række teknologier – nogle helt op til fem år før offentliggørelsen af ​​vores opdagelse i Nature.

Måske er den vigtigste af disse inden for batteriteknologi. Den bølgede struktur af phosphoren nanobånd betyder, at de ladede ioner, der driver batterier, snart kan bevæge sig op til 1000 gange hurtigere end i øjeblikket muligt. Dette ville betyde et betydeligt fald i ladetiden, sideløbende med en kapacitetsforøgelse på ca. 50%. Sådanne præstationsgevinster ville give massive løft til elbil- og flyindustrien, og give os mulighed for meget bedre at udnytte vedvarende energi for at eliminere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer, selv på grå, rolige dage.

Det betyder også, at i fremtiden batterier kunne bruge natriumioner i stedet for lithiumioner. Kendte lithiumreserver er muligvis ikke i stand til at imødekomme enorme forventede stigninger i batteriefterspørgsel, og udvinding af metallet kan være miljøskadeligt. Natrium, derimod er rigeligt og billigt.

Elektronikområdet kan også være taknemmeligt for nanobånd. Moores lov bemærker, at computerens processorkraft fordobles hvert andet år, men denne hastighed er i fare for at bremse, da de fysiske grænser for materialer nærmer sig hurtigt. Ved at bruge "2-D" materialer som vores kan disse grænser omdefineres, giver os mulighed for at lave stadigt mindre og hurtigere enheder.

Båndene kunne løse en anden stor blokering på dette område – hvordan man elektrisk forbinder nanomaterialer uden at skabe stor modstand (og dermed energitab) ved samlingerne. Flere-lags tykke versioner af phosphoren nanobånd kan problemfrit opdeles i bånd med forskellige højder og elektriske egenskaber, omgå de sædvanlige tekniske krav til forbindelser. Takket være dette, højeffektive solceller kunne nu være meget tættere på at blive virkelighed.

Fosforen nanobånds fleksibilitet og termoelektriske egenskaber betyder, at de også kan indlejres i bærbare stoffer, og bruges til at omdanne spildvarme til nyttig elektricitet. For eksempel, vi kunne snart se termoelektriske t-shirts, der fungerer som hjerte- og blodsukkermålere, alt sammen drevet af kropsvarme alene.

Teknologien kunne frigøre brints potentiale som et effektivt brændstof med lavt kulstofindhold. Gassen er rigeligt tilgængelig i vand og producerer kun ilt som et biprodukt, når den udvindes. Imidlertid, at finde en måde at gøre dette billigt på har hidtil unddraget forskere. Vandmolekyler kan spaltes gennem en proces kaldet fotokatalyse, men metoden kræver et materiale, der absorberer meget lys, og hvis energiegenskaber matcher godt med vand. Nanoribbons forudsiges at have præcis disse kvaliteter, samt et højt overfladeareal, der ville maksimere kontakt med vand, gør det til en lovende kandidat til at knække brintproduktionsgåden.

Opmuntrende, phosphoren nanobånd har allerede overvundet store forhindringer på vejen til kommercialisering. At finde en skalerbar produktionsmetode som vores tager år for de fleste nye materialer, og nogle ser aldrig dagens lys. Tilføjet til dette, fosfor er et relativt rigeligt og let udvindende materiale i jordskorpen. Og da vores bånd allerede er dannet i væsker, blæk eller maling kan nemt fremstilles for at manipulere dem i skala ved hjælp af billige metoder såsom spray-coating eller ink-jet print.

At producere disse bånd er dog kun det første skridt mod at revolutionere ovennævnte teknologier. Der skal nu udføres meget forskning for at teste teoretiske forudsigelser, og undersøge, i hvilket omfang båndets egenskaber kan skræddersys til specifikke applikationer. Som Teflons 20-årige rejser plus, lithium batterier, og velcro viser os, vejen fra opdagelse til brug kan være lang. Men i takt med at samfundet i stigende grad bevæger sig væk fra fossile brændstoffer, vi forventer, at den vej snart vil være godt tilbagelagt.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.