Efter sex år av mödosamt ansträngning, en grupp materialforskare från University of Wisconsin-Madison tror att deras genombrott i att odla små ark av zinkoxid kan få enorma konsekvenser för framtiden för nanomaterialtillverkning – och i sin tur, på en mängd elektroniska och biomedicinska apparater.

Gruppen, leds av Xudong Wang, en docent i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison, och postdoktor Fei Wang, har utvecklat en ny teknik för att syntetisera tvådimensionella nanoark från föreningar som inte naturligt bildar de atomlagertjocka materialen. Det är första gången en sådan teknik har varit framgångsrik, och forskarna beskrev sina resultat 20, januari, 2016, i journalen Naturkommunikation .

I huvudsak den mikroskopiska motsvarigheten till ett enda pappersark, ett 2D-nanoark är ett material som är begränsat till endast ett fåtal atomlager i en riktning. Nanomaterial - material som är begränsade i minst en dimension till maximalt en handfull atomlager - har unika fysikaliska egenskaper som förändrar deras elektroniska och kemiska egenskaper i förhållande till deras sammansättning identiska men konventionella, och större, materiella motsvarigheter. "Det som är bra med ett 2D nanomaterial är att eftersom det är ett ark, det är mycket lättare för oss att manipulera jämfört med andra typer av nanomaterial, säger Xudong Wang.

Tills nu, materialforskare var begränsade till att arbeta med naturligt förekommande 2D-nanoark. Dessa naturliga 2D-strukturer inkluderar grafen, ett enda lager grafit, och ett begränsat antal andra föreningar. Att utveckla en pålitlig metod för att syntetisera och tillverka 2D nanosheets från andra material har varit ett mål för materialforskare och nanoteknikindustrin i flera år.

I sin teknik, UW-Madison-teamet applicerade ett speciellt formulerat ytaktivt ämne - ett tvättmedelsliknande ämne - på ytan av en vätska som innehåller zinkjoner. På grund av dess kemiska egenskaper, det ytaktiva medlet samlas i ett enda lager på ytan av vätska, med negativt laddade sulfatjoner pekade i vätskans riktning. Dessa sulfatjoner drar de positivt laddade zinkjonerna inifrån vätskan till ytan, och inom ett par timmar dras tillräckligt med zinkjoner upp för att bilda kontinuerliga zinkoxidnanoskivor som bara är några få atomlager tjocka.

Xudong Wang fick först idén om att använda ett ytaktivt ämne för att odla nanoark under en föreläsning han höll i en kurs om nanoteknik 2009.

"Kursen innehåller en föreläsning om självmontering av monolager, " säger Xudong Wang. "Under de rätta förhållandena, ett ytaktivt ämne kommer att självmontera för att bilda ett monoskikt. Detta är en välkänd process som jag undervisar i klassen. Så när jag undervisade i detta undrade jag varför vi inte skulle kunna vända den här metoden och använda det ytaktiva monoskiktet först för att växa fram det kristallina ansiktet."

Efter fem års försök och fel med olika ytaktiva lösningar, idén gav slutligen resultat för ungefär ett år sedan.

"Vi är väldigt glada över detta, " säger Xudong Wang. "Detta är definitivt ett nytt sätt att tillverka 2D nanoark, och det har stor potential för olika material och för många olika applikationer."

Redan har forskarna funnit att de 2D-zinkoxidnanoskivor de har odlat kan fungera som halvledartransistorer av p-typ, vilket är det motsatta elektroniska beteendet av naturligt förekommande zinkoxid. Forskare har under en tid försökt framställa zinkoxid med pålitliga halvledaregenskaper av p-typ.

Zinkoxid är en mycket användbar komponent i elektroniska material, och de nya nanoarken har potential att användas i sensorer, givare och optoelektronik.

Men nanoskivorna av zinkoxid är bara de första av vad som kan bli en revolution inom 2D-nanomaterial. Redan, UW-Madison-teamet tillämpar sin metod för ytaktiva ämnen för att odla 2D nanoark av guld och palladium, och tekniken lovar att odla nanosheets från alla typer av metaller som inte skulle bilda dem naturligt.

"Det ger mycket nytt funktionellt material till denna 2D-materialkategori, " säger Xudong Wang.