Det starkaste materialet som mänskligheten känner till upptäcktes först med tejp. I dag, denna tvådimensionella (2-D) version av kol känd som grafen är föremål för intensiv forskning runt om i världen. Många hoppas att dess unika egenskaper kan leda till genombrott inom områden från elektronik till medicin.

Med 2-D menar vi att den är gjord av ett enda lager av atomer. I grafens fall, dessa är arrangerade i ett hexagonalt mönster som hjälper till att göra den otroligt stark. Den leder också elektricitet och värme på oöverträffade nivåer, är ogenomtränglig för gaser och kan vara både spröd och seg.

Men även om grafen har fått otrolig uppmärksamhet och vunnit sina upptäckare ett Nobelpris, den är inte längre ensam i världen av 2D-material. Många andra liknande material har sedan dess förutspåtts och isolerats, var och en med liknande strukturella egenskaper som grafen men också en mängd unika individuella egenskaper.

Faktiskt, det finns så många 2D-material med så många olika egenskaper att vi effektivt kan använda dem för att designa och bygga nya 3D-material med exakt de egenskaper vi vill ha. Denna idé om ett "Lego-set" i atomskala skapar potentiellt oändliga möjligheter för nya ämnen.

Teoretiskt sett, nästan vilket 3D-material som helst kan ha en 2D-motsvarighet. Listan hittills inkluderar:silicen (ett enda lager kisel), fosforen (ett enda lager av svart fosfor), och olika monolager av kemiska föreningar kända som övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), såsom molybdendisulfid (MoS2) och molybdenditellurid (MoTe2). Forskning pågår om förmodligen dussintals metoder för att isolera dessa material. De två huvudsakliga metoderna som används är mekanisk exfoliering – vilket var den metod som först användes för att göra grafen genom att isolera enskilda lager med tejp – och genom att effektivt odla ett 2D-lager av kristaller direkt på en platt bas.

I praktiken, dock, det finns många begränsningar för vad som är möjligt för närvarande. Endast mycket termiskt och kemiskt stabila material kan separeras i monolager, vilket omedelbart rabatterar många element. Och, en gång isolerad, i synnerhet många metalliska monolager tenderar att korrodera eller oxidera på ett sätt som förstör deras önskade egenskaper.

När du väl har ett 2D-material, du kan sedan skikta den med andra ämnen med mycket olika kemiska egenskaper för att skapa "heterostrukturer". Vi kan till exempel kombinera halvledare med magneter, eller metaller med supraledare. Listan över möjliga kombinationer växer exponentiellt.

Dessa kan skräddarsys med atomär precision med scanning tunnelmikroskop. Dessa metoder involverar generering av en elektrisk ström mellan en yta och spetsen av den atomärt fina sonden för att plocka upp och flytta enskilda atomer. En sådan 2D-heterostruktur som har gjorts i labbet kombinerar atomära monolager av grafen och hexagonal bornitrid (h-BN).

Helt nya funktioner

Både 2D-material och heterostrukturer har redan funnit många faktiska och potentiella tillämpningar inom ett brett spektrum av områden. Till exempel, grafen har möjliggjort drömmen om att "skriva ut" kretsar på flexibla plastbaser, åtminstone i ett labb. I framtiden, detta kan leda till konsumentprodukter som flexibla TV-apparater, smartphones och mer användarvänliga bärbara enheter.

Upptäckten av en mängd andra 2D-material har öppnat nästan oändliga sätt att kombinera olika egenskaper, vilket avsevärt skulle kunna förbättra eller påskynda utvecklingen av dessa applikationer. Till exempel, att använda h-BN som bas för grafenelektronik istället för den traditionella kiseldioxiden skulle kunna mildra några av problemen med tekniken. Eftersom h-BN monolager är ultraplatta och kan isoleras på samma sätt som grafen, det är möjligt att ta bort atomära brister i basen som stör egenskaperna hos grafenarket.

Vidare, framsteg inom 2D-materialforskning möjliggör ett nytt sätt att göra datorprocessorer ännu snabbare; något som ses som avgörande för att upprätthålla den elektroniska teknikens framsteg. Datorchips gör sina beräkningar med ett stort antal transistorer, som var och en fungerar genom att förflytta elektroner mellan olika lager av halvledarmaterial. Att ha mer än en typ av 2D-material innebär att du kan använda dem för att göra vart och ett av de olika halvledarskikten bara en atom tjockt. När transistorerna blir mindre, fler av dem kan placeras på varje datorchip, och detta leder då naturligtvis till produktion av snabbare processorer.

Vi kunde också se grafen och andra 2D-material som används för att generera och lagra energi. Till exempel, grafenbaserade heterostrukturer kan användas för att skapa högeffektiva och flexibla sol- och bränsleceller. Dessa heterostrukturer används också för att utveckla nästa generations batterier och superkondensatorer, som lovar snabbare laddning och utökad energiproduktion. Forskare har till och med lyckats skapa 2D-versioner av material som tidigare varit omöjliga, såsom en 2D-version av mineralet perovskit, som skulle kunna användas för att förbättra lysdioder.

Med tillväxten av elbilar och företag som Tesla leder oss mot en framtid med grönare energiomvandlings- och lagringslösningar, Det kommer säkerligen att finnas ett stort fokus på denna typ av teknik under överskådlig framtid.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.