Tvådimensionella (2D) nanomaterial har tillverkats genom att lösa upp skiktade material i vätskor, enligt ny UCL-ledd forskning. Vätskorna kan användas för att applicera 2D nanomaterial över stora ytor och till låga kostnader, möjliggör en mängd viktiga framtida tillämpningar.

2D nanomaterial, som grafen, har potential att revolutionera teknik genom sina anmärkningsvärda fysiska egenskaper, men deras översättning till verkliga tillämpningar har varit begränsad på grund av utmaningarna med att tillverka och manipulera 2D-nanomaterial i industriell skala.

Det nya tillvägagångssättet, publiceras idag i Naturkemi , producerade enkla lager av många 2D nanomaterial på ett skalbart sätt. Forskarna använde metoden på en mängd olika material, inklusive de med halvledar- och termoelektriska egenskaper, att skapa 2D-material som kan användas i solceller eller för att omvandla bortkastad värmeenergi till elektrisk energi, till exempel.

"2D nanomaterial har enastående egenskaper och en unik storlek, vilket tyder på att de skulle kunna användas i allt från datorskärmar till batterier till smarta textilier. Många metoder för att tillverka och applicera 2D nanomaterial är svåra att skala eller kan skada materialet, men vi har framgångsrikt åtgärdat några av dessa problem. Förhoppningsvis kommer vår nya process att hjälpa oss att inse potentialen hos 2D nanomaterial i framtiden, " förklarade studieledaren Dr Chris Howard (UCL Physics &Astronomy).

För studien, finansierad av Kungliga Ingenjörsakademien och Ingenjörs- och fysikaliska forskningsrådet, forskarna infogade positivt laddade litium- och kaliumjoner mellan lagren av olika material inklusive vismuttellurid (Bi2Te3), molybdendisulfid (MoS2) och titandisulfid (TiS2), ger varje lager en negativ laddning och skapar ett "lagermaterialsalt".

Dessa skiktade materialsalter löstes sedan försiktigt i utvalda lösningsmedel utan att använda kemiska reaktioner eller omrörning. Detta gav lösningar av 2D nanomaterialark med samma form som utgångsmaterialet men med negativ laddning.

Forskarna analyserade innehållet i lösningarna med hjälp av atomkraftsmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi för att undersöka strukturen och tjockleken av 2D-nanomaterialen. De fann att de skiktade materialen löstes upp till små ark av rena, oskadad, enkla lager, isolerade i lösningar.

Teamet från UCL, University of Bristol, Cambridge Graphene Centre och École Polytechnique Fédérale de Lausanne, kunde visa att till och med 2D nanomaterialark, som består av miljontals atomer, gjort stabila lösningar snarare än suspensioner.

"Vi förväntade oss inte att ett sådant utbud av 2D-nanomaterial skulle bilda en lösning när vi helt enkelt tillsatte lösningsmedlet till saltet - de skiktade materialsalterna är stora men löses upp i vätska som liknar bordssalt i vatten. Det faktum att de bildar en vätska tillsammans med deras negativa laddning, gör dem lätta att manipulera och använda i stor skala, som är vetenskapligt spännande men också relevant för många branscher, " sa första författaren Dr Patrick Cullen (UCL Chemical Engineering).

"Vi har visat att de kan målas på ytor och, när de får torka, kan ordna sig i olika kaklade former, som inte har setts tidigare. De kan också elektropläteras på ytor på ungefär samma sätt som guld används för att plätera metaller. Vi ser fram emot att göra olika 2D nanomaterial med vår process och prova dem i olika applikationer eftersom möjligheterna är nästan oändliga, " avslutade han.

UCL Business PLC (UCLB), teknikkommersialiseringsföretaget UCL har patenterat denna forskning och kommer att stödja kommersialiseringsprocessen.