Thomas Heine, professor i teoretisk kemi vid TU Dresden, tillsammans med sitt team, förutspådde först en topologisk 2D-polymer 2019. Bara ett år senare, ett internationellt team ledd av italienska forskare kunde syntetisera dessa material och experimentellt bevisa deras topologiska egenskaper. För den berömda tidskriften Naturmaterial , detta var tillfället att bjuda in Thomas Heine till en News and Views-artikel, som publicerades i veckan. Under titeln "Att göra 2-D topologiska polymerer till verklighet, " Prof. Heine beskriver hur hans teori blev verklighet.

Ultratunna material är extremt intressanta som byggstenar för nästa generations nanoelektronik, eftersom det är mycket lättare att göra kretsar och andra komplexa strukturer genom att forma 2D-lager till önskade former. Thomas Heine, Professor i teoretisk kemi vid TU Dresden, arbetar med att förutsäga sådana innovativa material. Deras egenskaper kan beräknas exakt med hjälp av moderna metoder för beräkningskemi, redan innan de har realiserats i laboratoriet.

Denna forskning är särskilt intressant för 2D-polymerer:deras gittertyp definieras av formen på deras byggstenar, och de kan väljas från den nästan oändliga mängden plana organiska molekyler som matchar den erforderliga strukturen. Ett särskilt intressant exempel är kagomegittret, som består av hörnen och kanterna av en trihexagonal plattsättning. Under 2019, Yu Jing och Thomas Heine föreslog att syntetisera sådana 2D-polymerer från triangulära organiska molekyler (så kallade triangulener). Dessa material har en kombinerad bikake-kagome-struktur (se figur). Deras beräkningar tyder på att dessa 2D-strukturer kombinerar egenskaperna hos grafen (kvasi masslösa laddningsbärare) med egenskaperna hos supraledare (platta elektroniska band).

Nu har den italienska materialforskaren Giorgio Contini och hans internationella team lyckats syntetisera denna 2-D honeycomb kagome polymer, som publicerats i Naturmaterial tidigare i veckan. En innovativ ytsyntesmetod gjorde det möjligt att producera kristaller av så hög kvalitet att de var lämpliga för experimentell karakterisering av elektroniska egenskaper.

Verkligen, de förutspådda fascinerande topologiska egenskaperna avslöjades. Således, för första gången, det kunde experimentellt bevisas att topologiska material kan realiseras via 2-D-polymerer.

Forskning om 2-D-polymerer är således placerad på en solid grund. Kagomegittret som beskrivs här är bara ett exempel av hundratals möjligheter att koppla samman plana molekyler till vanliga gitter. För vissa av dessa varianter, andra intressanta elektroniska egenskaper har redan förutspåtts teoretiskt. Detta öppnar upp för många nya möjligheter för teoretiker och experimentalister inom kemi och fysik att utveckla material med tidigare okända egenskaper.

Prof. Heine förklarar:"Dessa resultat visar att 2D-polymerer kan vara material med användbara elektroniska egenskaper, även om deras strukturer är mycket mer bredmaskiga än vanliga elektroniska material, med avstånd på mer än en nanometer mellan gitterpunkterna. Förutsättningen är att materialen är av utmärkt strukturell kvalitet. Detta inkluderar en hög kristallinitet och en mycket låg defektdensitet. Ett annat viktigt bidrag från kollegorna kring prof. Contini är att, även om 2D-polymererna producerades på en metallyta, de kan tas loss och överföras till vilket annat underlag som helst, såsom kiseloxid eller glimmer, och därmed integreras i elektroniska enheter."