Joshua Robinson minns dagen 2006 då han fick reda på ett material som är, för alla praktiska ändamål, tvådimensionell.

Just då, han var postdoktor vid Naval Research Laboratory i Washington, D.C. Hans rådgivare, Eric Snow, tjatade om grafen, en nyligen isolerad form av kol. En kusin till den allmänt kända buckminsterfulleren (eller "buckyballs") och kolnanorör, grafen var ett platt ark med endast en kolatom tjockt. Atomerna var sammanlänkade i en sexsidig, kycklingtrådsmönster, bildar ett galler med häpnadsväckande egenskaper. Det var flexibelt, transparent, och starkare än stål. Den ledde elektricitet bättre än koppar och värme bättre än något annat. Kortfattat, kol i denna form betedde sig inte som kol längre. Det fungerade som ett helt nytt material.

Grafen blev känd som den första tvådimensionella, eller monolager, material. Verkligen, en tredjedel av en miljarddels meter tjock, det är så nära tvådimensionellt som ett påtagligt föremål kan komma. Grafen är 300, 000 gånger tunnare än vanligt skrivarpapper. Om papperet var så tjockt som en sexvåningsbyggnad är hög, grafen skulle vara tjockleken på originalpapperet.

Robinson var i en idealisk position att inse vikten av tvådimensionella (2D) material. Han arbetade med kolnanorör, anpassa dem för att upptäcka små mängder luftburna ämnen som de som avges av kemiska vapen och explosiva anordningar.

"Graphene var helt enkelt ett uppackat nanorör, säger Robinson, som nu är biträdande professor och Corning Faculty Fellow vid institutionen för materialvetenskap och teknik, Penn State. "Eric var så jäkla upphetsad att jag inte kunde låta bli att börja läsa om grafen, och blev omedelbart hooked - detta "nya material" verkade för bra för att vara sant."

Stötestenar

Forskare, ingenjörer, och investerare runt om i världen blev entusiastiska över grafen, särskilt dess potential att revolutionera elektroniken. Termen "post-kisel" myntades för att beskriva denna nya gräns, och 2010 vann upptäckten och den första karaktäriseringen av grafen Nobelpriset i fysik.

Men övergången från upptäckt till praktisk tillämpning har visat sig inte vara så lätt. Även om materialforskare kan skapa en mängd nya 2D-material med hjälp av andra element och föreningar, de kunde inte alltid förutsäga vilka egenskaper dessa material skulle ha. De små eller till och med mikroskopiska bitarna av monolager var svåra att manipulera och analysera – trots sin styrka, de revs lätt sönder – och omöjliga att tillverka i industriell skala.

Vad fältet behövde var en djupare förståelse för 2D-material och deras konstiga egenskaper. För att anta denna utmaning, 2013 startade Penn State's Materials Research Institute Center for Two Dimensional and Layered Materials (2DLM). Centret samlar cirka 50 lärare, postdoktorala forskare, och studenter från Penn State och andra institutioner runt om i landet. Det är det första forskningscentret som inte bara fokuserar på grafen utan "bortom grafen, " enligt Robinson, centrets biträdande direktör. "Det har verkligen hjälpt till att locka några av de bästa nya fakulteterna i landet, såväl som många högpresterande studenter."

Byggklossar

Arbetet på centret tar upp flera breda teman, som att hitta nya sätt att göra 2D-material och kombinera monolager gjorda av olika föreningar, utveckla tekniker för att analysera nya material och deras egenskaper, förstå hur arkitekturen hos ett skiktat material påverkar dess egenskaper, och tekniköverföring – söka patent och eftersträva kommersiellt gångbara produkter.

Forskare här har gjort nya enskiktsmaterial genom att kombinera en mängd olika element, såsom volfram eller molybden med svavel, gallium eller kisel med selen, och bor med kväve.

Förbättrade tekniker för att studera 2D-material har gjort det lättare att förutsäga vilka föreningar som kommer att bilda monolager och hur de kan bete sig i den formen. Som grafen, dessa material uppvisar egenskaper som inte syns i deras tredimensionella former. Flera av dem - som molybdendisulfid, volframdisulfid, och en form av bornitrid – är halvledare som erbjuder löftet om ultraliten elektronik. Vissa är fotoluminescerande, absorberar ljus av en våglängd och skickar energin tillbaka ut vid en annan våglängd. De kan bli grunden för en ny generation av enheter som upptäcker eller avger ljus.

Vissa monolagerbaserade produkter arbetar nu mot kommersiella tillämpningar.

"Jag har sett och rört vid och använt platta skärmar som använder grafen som ledning, transparent elektrod, säger Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi, och materialvetenskap och teknik, och direktör för 2DLM. "Detta kan vara den första produkten på marknaden. Fördelen med grafen är att göra flexibla platta paneler, något det inte är möjligt att göra med den nuvarande tekniken."

Stora projekt som syftar till att förvandla sådan futuristisk teknologi till verklighet pågår i Penn State. National Science Foundation (NSF) erbjöd nyligen stöd till tre av centrets projekt med mer än 4 miljoner dollar i forskningsanslag. Robinsons grupp utvecklar en ny typ av post-kiseltransistor, öppnar vägen för allt mindre elektronik. Joan Redwing, professor i materialvetenskap och teknik, och hennes team arbetar på sätt att skapa tvådimensionella material vid låga temperaturer, att göra produktion mer genomförbar för industrin och att låta materialen formas på glas och plast. Zhiwen Liu, professor i elektroteknik, och Ana Laura Elias Arriaga, forskarassistent i fysik, arbetar med kollegor vid Rensselaer Polytechnic Institute för att utveckla skiktade material för användning i ljusbaserad teknik.

Stapling av monolager

Terrones och Robinson tror att nyckeln till framgång inom deras område kommer att vara att kombinera olika typer av monolager. Robinsons grupp har arbetat med andra Penn State fakulteter och forskare vid University of Texas i Dallas för att få olika tvådimensionella material att bildas direkt ovanpå varandra.

"Genom att göra det här, vi har kunnat uppnå riktigt rena gränssnitt mellan lagren, " säger Robinson. "Detta är en nyckel för nya nanoelektroniska kretsar."

Som med skiktade material gjorda av en enda förening, dessa "hybrid" material uppvisar ofta oväntade – och potentiellt användbara – beteenden. Två sådana material tillverkades i labbet av Pulickel Ajayan, en 2DLM-medlem vid Rice University, och skickades sedan till Terrones för analys.

I ett försök att tillverka materialen vid lägre temperaturer än någonsin tidigare, ett framsteg som skulle underlätta massproduktion, Ajayans team hade oavsiktligt fått två bekanta material att etablera sig i nya relationer med varandra.

Vid en temperatur, volframdisulfid bildade ett lager ovanpå ett lager molybdendisulfid. I den här konfigurationen, de kombinerade materialen fungerar som en transistor. Vid en annan temperatur, de två materialen bildade lager sida vid sida i samma plan.

"Det är som att ha två olika tyger sammanfogade, men vid skarven är de två tygerna som ett, " säger Terrones. I kant-till-kant-konfigurationen, förbindelsen mellan de två tygerna är en mötesplats där elektroner och fotoner skickar energi fram och tillbaka.

"Vi har nu upptäckt att dessa material kan ha viktiga användningsområden som mycket snabba och känsliga fotosensorer eller till och med ljusemitterande enheter, " säger Terrones.

"vilda västern"

Med liknande upptäckter som sker nästan varje vecka, förutsägelser om fantastiska nya produkter som kommer har kommit tillbaka. Den här gången, spänningen har en solid grund av grundläggande vetenskap – och den här gången, forskarna och ingenjörerna ser bortom det ursprungliga målet att förvandla grafen till en ny typ av halvledarmaterial.

"Det är troligt att grafen och andra 2D-material kommer att vara viktiga komponenter i bärbara elektroniska enheter, " säger Terrones. "Jag förutser också att vi kommer att se dessa material i "smarta" beläggningar som ändrar egenskaper vid en extern stimulans." 2D-beläggningar kan bekämpa rost och bakterier. De kan fungera som känsliga detektorer av luftkvalitet. De kan till och med avskräcka havstulpaner från nedsmutsade båtskrov.Möjligheterna verkar obegränsade.

Robinson håller med.

"Tvådimensionella material är mycket mer än en ersättning för kisel, " säger han. "Det viktiga med "2D" är att det är som vilda västern just nu. Det finns nästan ett ofattbart antal potentiella applikationer där ute. Men först måste vi förstå deras grundläggande egenskaper för att på bästa sätt kunna identifiera vilka applikationer som kommer att dra nytta av dessa nya material."