Efter att grafen först tillverkades i labbet 2004, tusentals laboratorier började utveckla grafenprodukter över hela världen. Forskare blev förvånade över dess lätta och ultrastarka egenskaper. Tio år senare, forskare söker nu efter andra material som har samma potential.

"Vi fortsätter att arbeta med grafen, och det finns några applikationer där det fungerar mycket bra, sa Mark Hersam, Bette och Neison Harris ordförande i Teaching Excellence vid Northwestern Universitys McCormick School of Engineering and Applied Science, som är grafenexpert. "Men det är inte svaret på alla världens problem."

En del av en familj av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider, molybdendisulfid (MoS2) har dykt upp som ett föregångsmaterial för prospektering i Hersams labb. Som grafen, det kan exfolieras till atomärt tunna ark. När det tunnar ut till atomgränsen, det blir fluorescerande, vilket gör det användbart för optoelektronik, såsom lysdioder, eller ljusabsorberande anordningar, som solceller. MoS2 är också en riktig halvledare, vilket gör det till en utmärkt kandidat för elektronik, och det har historiskt använts i katalys för att avlägsna svavel från råolja, som förhindrar surt regn.

Hersams utmaning var att hitta ett sätt att isolera atomärt tunna ark av detta lovande material i större skala. De senaste sex åren, hans labb har utvecklat metoder för att exfoliera tunna lager av grafen från grafit, med lösningsbaserade metoder.

"Man skulle kunna tro att det skulle vara lätt att göra samma sak för molybdendisulfid, " sa han. "Men problemet är att medan exfolieringen liknar grafen, separationen är betydligt mer utmanande."

Hersams forskning beskrivs i artikeln "Tjocklekssortering av tvådimensionell övergångsmetalldikalkogenider via sampolymerassisterad gradientultracentrifugering, " som publicerades i numret 13 november av Naturkommunikation .

För att sortera grafenlager, Hersam använde centrifugalkraft för att separera material efter densitet. Att göra detta, han och hans grupp lade till materialet till ett centrifugrör tillsammans med en gradient av vattenbaserad lösning. Vid centrifugering, de tätare arterna rör sig mot botten, skapar lager av tätheter inuti centrifugröret. Grafen sorteras i ark med ett lager mot toppen, sedan tvåskiktsark, trelager, och så vidare. Eftersom grafen har en relativt låg densitet, det är lätt att sortera jämfört med material med högre densitet.

"Om jag använder exakt samma process med molybdendisulfid, dess högre densitet kommer att få den att krascha ut, " sa Hersam. "Det överskrider den maximala densiteten för gradienten, som krävde en innovativ lösning."

Hersam behövde ta det inneboende täta materialet och effektivt minska dess densitet utan att ändra själva materialet. Han insåg att detta mål kunde uppnås genom att justera densiteten hos de molekyler som användes för att sprida MoS2. Särskilt, användningen av skrymmande polymerdispergeringsmedel gjorde att den effektiva densiteten för MoS2 kunde reduceras till intervallet för densitetsgradienten. På detta sätt, arken av MoS2 flöt i skiktade positioner istället för att samlas som botten av centrifugröret. Denna teknik fungerar inte bara för MoS2, men för andra material i övergångsmetallen dikalkogenider-familjen.

"Nu kan vi isolera ett lager, dubbelskikt, eller treskiktiga övergångsmetalldikalkogenider på ett skalbart sätt, " Hersam sa. "Denna process kommer att tillåta oss att utforska deras användbarhet i storskaliga applikationer, som elektronik, optoelektronik, katalys, och solceller."