En nyskapad form av kol i ett nät med bara en atoms tjocklek lockar forskare med antydningar om att det kan förbättra laddningsbara batterier kraftigt och tillåta kablar så små att de kan fungera i en skala där metaller misslyckas. Materialet, känt som bifenylennätverk, är mycket ledande och kan visa sig kunna lagra mer elektrisk energi än till och med grafen, det atomtjocka kolbikakematerialet som identifierades för nästan 20 år sedan.

I maj, forskare meddelade att de har kunnat skräddarsy arrangemanget av kolatomer till ett nät som, för första gången, inkluderar hexagoner, rutor och oktagoner, samtidigt som man säkerställer att materialet fortfarande bara är en atom tjockt.

Det nya geometriska arrangemanget i två dimensioner lägger till listan över kolstrukturer - eller allotroper - som grafit, diamant och grafen. Men forskare har funnit att det har mycket olika elektroniska egenskaper. Det är vettigt att jämföra det nya materialet med grafen, där kolatomer binder i ett enda lager av hexagoner för att bilda ett nät med häpnadsväckande elektriska och termiska egenskaper, samt enastående mekanisk styrka, och ändå är mycket transparent.

Laboratorieforskning om det nya materialet vid universitetet i Marburg i Tyskland och Aalto-universitetet i Finland har funnit att bifenylennätverksband som är några atomer breda beter sig elektriskt som en metall. Det ger en antydan om att materialet kan utvecklas för att göra ledande ledningar i kolbaserade elektroniska kretsar.

"Om du tar grafennanorband med liknande bredd, då är de vanligtvis halvledare och denna bifenylen är lättare en metall, sa Peter Liljeroth, professor vid avdelningen för tillämpad fysik vid Aalto-universitetet. Det kan göra materialet användbart som ledare i nanoskala i framtida elektroniska enheter, han lade till. Han och hans team gjorde sina upptäckter med hjälp av en avbildningsteknik som kallas scanning tunneling spectroscopy för att granska remsor av bifenylennätverk upp till 21 atomer breda. Dessa band gjordes av Prof. Michael Gottfrieds grupp på fysikalisk-kemiavdelningen vid Philipps-Universität Marburg, i Tyskland.

Marburg-teamet utvecklade syntesvägen för detta material. De gjorde molekylkedjor som innehåller kol i specifika arrangemang som samlas på en ultraslät, icke-reaktiv guldyta. Och sedan ett annat steg – dubbad HF-dragkedja – knyter ihop kedjorna för att bilda nätverksremsorna för bifenylen.

Elektrisk potential

Att analysera prover i större skala kan hjälpa till att visa om en bifenylenanod kan öka effektiviteten hos litiumjonbatterier, används ofta i mobiltelefoner och elfordon. "Om du har bulk- eller flerskiktsbifenylen... så finns det teoretiska förutsägelser att litiumlagringskapaciteten borde vara högre, mycket högre, än för grafen, " sa doktor Liljeroth.

Om det bekräftas, som skulle göra materialet enormt attraktivt för uppladdningsbara enheter. Men prof. Liljeroth betonar att det är en mycket lång väg kvar innan sådana egenskaper potentiellt kan utnyttjas i industriella eller konsumenttillämpningar.

En utmaning vid tillverkning av bulkbifenylen är att öka noggrannheten i syntesprocessen för att knyta ihop remsor eller band av bifenylen av tillräcklig kvalitet för att bilda större ark, utan att delar av materialet misslyckas med grafen när kolatomerna aggregerar och binder.

Medan Aalto-forskarna kunde identifiera de elektriska egenskaperna hos materialet från Marburg, andra egenskaper hos bifenylennätverket förblir outforskade. Forskning behövs fortfarande för att spika fast dess mekaniska, termiska och optiska egenskaper. Att göra det, det skulle hjälpa att ha större prover.

Koltrådar

De bekräftade metalliska ledande egenskaperna pekar redan på möjligheten att leda ledningar för elektronik i minsta skala.

Ledningar gjorda av metaller som koppar bryts vanligtvis ned vid atomtjocklek genom en process av elektromigrering - där rörliga elektroner kan förskjuta atomer och skada ledningarna, som blir instabila och så småningom går sönder.

Ett material som bifenylennätverk kan hjälpa till att undvika dessa svårigheter i elektroniska kretsar, arbetar som en metall i ledande elektroner, men utan nackdelarna. Det skulle ge mer stabila ledare, gör att mindre ledningar kan användas i elektronik i nanoskala.

"Detta är ett av problemen som måste övervinnas eller lösas, och kolbaserade material är ganska bra i detta avseende, " sa prof. Liljeroth.

Men han lade till en tydlig försiktighet:"Det finns många, många steg emellan nu och faktiskt använda detta i en mikroprocessor."

Dessa egenskaper, och andra som ännu inte har identifierats, skulle kunna tillhandahålla rika fält för utforskning och utveckling, liksom det nya sättet att producera själva bifenylennätverket.

Prof. Liljeroth betonade potentialen för HF-zipping-metoden som används av Prof. Gottfrieds team för att göra valfritt antal andra kolstrukturer.

Marburg-teamet använde kolbaserade prekursorkemikalier som innehöll väte och fluor för att "zippa" ihop olika atomära kolkedjor. Istället för att använda grafen som standard – den mest grundläggande formen på ytan – innebar det extra steget att kemiskt skräddarsy kanterna på banden som drar ihop sig för att bilda bifenylennätverket.

"Vad jag hoppas kommer ut av det här arbetet är att folk börjar tänka på den här typen av HF-zip-process för att göra nya material, (så) du kan börja med samma koncept, finjustera prekursorerna och sluta med ett annat 2D-kolnätverk, ", tillade prof. Liljeroth.

Eftersom materialet hittills har producerats på en guldyta, en annan utmaning är att fullända överföringen av bifenylennätverket från metallen. Det är en uppgift där forskarna kan dra lärdomar från arbete som gjorts med grafen - ett material där pågående arbete också erbjuder några andra tips för att utveckla bifenylennätverk.

"Jag skulle säga att det finns mycket potential ... nu när de har visat att dessa strukturer är genomförbara, de är stabila, åtminstone under dessa förhållanden, sade professor Roman Fasel, som leder nanotech@surfaces Laboratory vid Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) och inte var involverad i forskningen.

"Det här kommer att bli riktigt utmanande att skala upp, " han sa, men tillade att arbetet med grafen hade visat att det var möjligt att gå från de minsta materialprickarna till arbetsbara skalor.

"En riktning är att optimera syntesen för att uppnå ett stort 2D-nätverk, låt oss säga för elektroder och sånt, men det andra skulle vara att hitta ett sätt att göra väldefinierade nanoband – så bara 1D-varianten av materialet, " han sa.

En av de största utmaningarna som bifenylen står inför är att identifiera egenskaper som gör det till ett självklart val för framtida applikationer – känd i datortermer som en "killer app" – där den är mycket bättre än konkurrenterna, samt enklare och billigare att göra.

Trots allt, människor har arbetat med grafen i nästan två decennier och även om det uppvisar många enastående egenskaper och har funnit användning i färger och beläggningar, mikroelektronik och genomskinliga ledare – förutom att de används i tennisracketar och bläck – har det inte helt revolutionerat något särskilt område.

"I vissa fall, ett nytt material öppnar upp något som helt enkelt inte var möjligt att göra med den befintliga tekniken, och då kan det bryta igenom snabbare, sa prof. Liljeroth. Men jag vet inte om bifenylen — det får vi se om.