Ny metode muliggør syntese af hundredvis af nye 2D-materialer
Materialer, der er utroligt tynde, kun få atomer tykke, udviser unikke egenskaber, der gør dem tiltalende til energilagring, katalyse og vandrensning. Forskere ved Linköpings Universitet, Sverige, har nu udviklet en metode, der muliggør syntese af hundredvis af nye 2D-materialer. Deres undersøgelse er blevet publiceret i tidsskriftet Science .
Siden opdagelsen af grafen er forskningsfeltet i ekstremt tynde materialer, såkaldte 2D-materialer, steget eksponentielt. Årsagen er, at 2D-materialer har et stort overfladeareal i forhold til deres volumen eller vægt. Dette giver anledning til en række fysiske fænomener og karakteristiske egenskaber, såsom god ledningsevne, høj styrke eller varmebestandighed, hvilket gør 2D-materialer af interesse både inden for grundforskning og applikationer.
"I en film, der kun er en millimeter tynd, kan der være millioner af lag af materialet. Mellem lagene kan der være en masse kemiske reaktioner og takket være dette kan 2D-materialer bruges til energilagring eller til at generere brændstoffer, f.eks. eksempel," siger Johanna Rosén, professor i materialefysik ved Linköpings Universitet.
Den største familie af 2D-materialer kaldes MXenes. MXenes er skabt ud fra et tredimensionelt overordnet materiale kaldet en MAX-fase. Det består af tre forskellige grundstoffer:M er et overgangsmetal, A er et (A-gruppe) grundstof, og X er kulstof eller nitrogen. Ved at fjerne A-elementet med syrer (eksfoliering) skabes et todimensionelt materiale. Indtil nu har MXenes været den eneste materielle familie skabt på denne måde.
Linköping-forskerne har introduceret en teoretisk metode til at forudsige andre tredimensionelle materialer, der kan være egnede til konvertering til 2D-materialer. De har også bevist, at den teoretiske model er i overensstemmelse med virkeligheden.
For at lykkes brugte forskerne en tre-trins proces. I det første trin udviklede de en teoretisk model til at forudsige, hvilke grundmaterialer der ville være egnede. Ved hjælp af storskalaberegninger på National Supercomputer Center var forskerne i stand til at identificere 119 lovende 3D-materialer fra en database og et udvalg bestående af 66.643 materialer.
Næste skridt var at forsøge at skabe materialet i laboratoriet.
"Ud af 119 mulige materialer undersøgte vi, hvilke der havde den krævede kemiske stabilitet, og hvilke materialer der var de bedste kandidater. Først skulle vi syntetisere 3D-materialet, hvilket var en udfordring i sig selv. Endelig havde vi en prøve af høj kvalitet. hvor vi kunne eksfoliere og ætse et bestemt atomlag væk ved hjælp af flussyre," siger Jie Zhou, adjunkt ved Institut for Fysik, Kemi og Biologi.
Forskerne fjernede yttrium (Y) fra modermaterialet YRu2 Si2 , hvilket resulterede i dannelsen af to-dimensionelle Ru2 Six Oy .
Men for at bekræfte succes i laboratoriet er verifikation nødvendig - trin tre. Forskerne brugte scanningstransmissionselektronmikroskopet Arwen ved Linköpings Universitet. Den kan undersøge materialer og deres strukturer nede på atomniveau. I Arwen er det også muligt at undersøge, hvilke atomer et materiale er opbygget af ved hjælp af spektroskopi.
"Vi kunne bekræfte, at vores teoretiske model fungerede godt, og at det resulterende materiale bestod af de rigtige atomer. Efter eksfoliering lignede billeder af materialet siderne i en bog. Det er utroligt, at teorien kunne omsættes i praksis, derved. udvidelse af konceptet med kemisk eksfoliering til flere materialefamilier end MXenes," siger Jonas Björk, lektor ved afdelingen for Materialedesign.
Forskernes opdagelse betyder, at mange flere 2D-materialer med unikke egenskaber er inden for rækkevidde. Disse kan til gengæld lægge grundlaget for et væld af teknologiske anvendelser. Det næste skridt for forskerne er at udforske flere potentielle forløbermaterialer og opskalere eksperimenterne. Rosén mener, at fremtidige ansøgninger er næsten uendelige.
"Generelt har 2D-materialer vist et stort potentiale for et enormt antal anvendelser. Man kan for eksempel forestille sig at opfange kuldioxid eller rense vand. Nu handler det om at opskalere syntesen og gøre det på en bæredygtig måde," siger Rosén.
Flere oplysninger: Jonas Björk et al., Todimensionelle materialer ved storskalaberegninger og kemisk eksfoliering af lagdelte faste stoffer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj6556. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556
Journaloplysninger: Videnskab
Leveret af Linköping University
Varme artikler
-
Forskere viser, at brintatomer på grafen giver et magnetisk momentKredit:AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0 (Phys.org) – Et team af forskere med medlemmer fra institutioner i Spanien, Frankrig og Egypten har vist, at brintatomer på grafen giver et magnetisk mo -
Porphyriner kan bindes kovalent til grafenkanterKredit:Willi Auwärter et al. (Phys.org)—Forskere fra Technische Universität München i Tyskland er lykkedes med kovalent at binde porfin til kanten af et grafenark på et Ag(111)-substrat ved hjæl -
Langt og smalt, fri for fejl, og opløseligt:grafen nanobånd ved bottom-up syntese(PhysOrg.com) -- Elektroniske komponenter baseret på grafen kan gøre vores nuværende siliciumbaserede elektronik forældet. grafen, en mere nyligt opdaget form for kulstof, består af todimensionelle pl -
Injicerbare plantebaserede nanopartikler forsinker tumorprogressionKredit:ACS Forskere fra Case Western Reserve University School of Medicine har i samarbejde med forskere fra Dartmouth Geisel School of Medicine og RWTH Aachen University (Tyskland) tilpasset viru
- Forskere introducerer et ratingsystem til at vurdere kvaliteten af evidens for politik
- Indien begynder jordskred, rensning af oversvømmelser, da dødelige monsunregn letter
- Astronomer opdager et M-dværg, der formørker binært system
- Miljøadvokat efterlyser en kønsfølsom international lovramme for at beskytte klimamigranter
- At lave molekyler, der glimter
- Arizona-dæmningen med risiko for fejl vil blive kontrolleret af ingeniører