En internationell forskargrupp med medlemmar från Linköpings universitet, Münchens tekniska universitet och Deutsches Museum bland annat, har utvecklat en metod för att tillverka tvådimensionella polymerer med tjockleken av en enda molekyl. Polymererna bildas på en yta genom inverkan av ljus. Upptäckten banar väg för nya ultratunna och funktionella material, och har publicerats i Naturkemi .

Jakten på nya tvådimensionella material har snabbt intensifierats efter upptäckten av grafen - ett supermaterial vars utmärkta egenskaper inkluderar hög ledningsförmåga och styrka, gör den otroligt mångsidig. Två huvudsakliga tillvägagångssätt används för att skapa ultratunna material. I den första, ett kontinuerligt lager av molekyler eller atomer "skalas av" från huvuddelen av materialet. Grafen är ett exempel på ett sådant material.

Det andra tillvägagångssättet, i kontrast, innebär konstruktion av materialet molekyl för molekyl genom att producera bindningar mellan molekylerna på olika sätt. Problemet är att materialen ofta är små, ömtåliga och innehåller många defekter. Detta begränsar de potentiella användningsområdena.

En internationell forskargrupp med medlemmar från Linköpings universitet, Münchens tekniska universitet och Deutsches Museum, bland andra, har nu utvecklat en ny metod för att tillverka tvådimensionella polymerer. Upptäckten gör det möjligt att utveckla nya ultratunna funktionella material med högt definierade och regelbundna kristallina strukturer.

Tillverkningen, eller polymerisation, av materialet sker i två steg. Forskarna använder en molekyl som kallas "fantrip" - en sammandragning av "fluorerad antracentriptycen." Denna molekyl är en sammanslagning av två olika kolväten - antracen och triptycen. De specifika egenskaperna hos fantrip gör att molekylerna spontant arrangerar sig i ett mönster som är lämpligt för fotopolymerisation när de placeras på en grafityta täckt med en alkan. Denna process är känd som "självorganisering".

Nästa steg är själva fotopolymerisationen, när mönstret ska fixeras med hjälp av ljus. Molekylerna belyses av en violett laser som exciterar elektronerna i det yttersta elektronskalet. Detta gör att starka och varaktiga kovalenta bindningar bildas mellan molekylerna. Resultatet är en porös tvådimensionell polymer, en halv nanometer tjock, bestående av flera hundra tusen molekyler som är identiskt kopplade, med andra ord, ett material med nästan perfekt ordning, ända ner till atomnivå.

"Att skapa kovalenta bindningar mellan molekyler kräver mycket energi. Det vanligaste sättet att tillföra energi är att höja temperaturen, men detta gör också att molekylerna börjar röra sig. Så det fungerar inte med självorganiserade molekyler, eftersom mönstret skulle suddas ut. Att använda ljus för att skapa kovalenta bindningar bevarar mönstret och fixar det precis som vi vill ha det, säger Markus Lackinger, forskargruppsledare vid Deutsches Museum och Technical University of München.

Eftersom fotopolymerisationen utförs på en yta av fast grafit, det är möjligt att följa processen på molekylär skala med hjälp av scanning tunneling mikroskopi. Detta visar de nybildade bindningarna i ett beständigt nätverk. För att bekräfta strukturtilldelningen, forskargruppen har simulerat utseendet av molekylära nätverk i mikroskopet i olika skeden av reaktionen.

Jonas Björk är biträdande professor på avdelningen för materialdesign vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet. Han har använt högpresterande beräkningsresurser vid Nationellt superdatorcentrum i Linköping för att validera experimenten och förstå de nyckelfaktorer som gör metoden framgångsrik.

"Vi ser att simuleringarna stämmer väl överens med verkligheten in i minsta detalj, och vi kan också förstå varför vårt specifika system ger så användbara resultat. Nästa steg i forskningen blir att se om metoden kan användas för att länka andra molekyler till nya tvådimensionella och funktionella material. Genom att förbättra metoden, vi kommer också att kunna kontrollera och skräddarsy den typ av ultratunna material vi strävar efter att tillverka, säger Jonas Björk.

Polymerisationen sker i vakuum, vilket säkerställer att materialet inte är förorenat. Dock, den slutliga tvådimensionella polymerfilmen är också stabil under atmosfäriska förhållanden, vilket är en fördel för framtida applikationer. Markus Lackinger tror att materialet kommer att hitta många tänkbara tillämpningar.

"Den mest uppenbara tillämpningen är att använda materialet som filter eller membran, men applikationer som vi för tillfället inte har någon aning om i helt andra sammanhang kan dyka upp vid horisonten, också av en slump. Det är därför grundforskning är så spännande, säger Markus Lackinger.