Material som är otroligt tunna, bara några få atomer tjocka, uppvisar unika egenskaper som gör dem tilltalande för energilagring, katalys och vattenrening. Forskare vid Linköpings universitet har nu utvecklat en metod som möjliggör syntes av hundratals nya 2D-material. Deras studie har publicerats i tidskriften Science .
Sedan upptäckten av grafen har forskningsfältet inom extremt tunna material, så kallade 2D-material, ökat exponentiellt. Anledningen är att 2D-material har en stor yta i förhållande till volym eller vikt. Detta ger upphov till en rad fysikaliska fenomen och distinkta egenskaper, såsom god ledningsförmåga, hög hållfasthet eller värmebeständighet, vilket gör 2D-material av intresse både inom grundforskning och applikationer.
"I en film som bara är en millimeter tunn kan det finnas miljontals lager av materialet. Mellan lagren kan det ske många kemiska reaktioner och tack vare detta kan 2D-material användas för energilagring eller för att generera bränslen, t.ex. exempel, säger Johanna Rosén, professor i materialfysik vid Linköpings universitet.
Den största familjen av 2D-material kallas MXenes. MXenes skapas av ett tredimensionellt modermaterial som kallas en MAX-fas. Den består av tre olika grundämnen:M är en övergångsmetall, A är ett (A-grupp) grundämne och X är kol eller kväve. Genom att ta bort A-elementet med syror (exfoliering) skapas ett tvådimensionellt material. Fram till nu har MXenes varit den enda materialfamiljen som skapats på detta sätt.
Linköpingsforskarna har introducerat en teoretisk metod för att förutsäga andra tredimensionella material som kan vara lämpliga för omvandling till 2D-material. De har också bevisat att den teoretiska modellen stämmer överens med verkligheten.
För att lyckas använde forskarna en process i tre steg. I det första steget utvecklade de en teoretisk modell för att förutsäga vilka grundmaterial som skulle vara lämpliga. Med hjälp av storskaliga beräkningar vid National Supercomputer Center kunde forskarna identifiera 119 lovande 3D-material från en databas och ett urval bestående av 66 643 material.
Nästa steg var att försöka skapa materialet i labbet.
"Av 119 möjliga material studerade vi vilka som hade den kemiska stabilitet som krävs och vilka material som var de bästa kandidaterna. Först var vi tvungna att syntetisera 3D-materialet, vilket var en utmaning i sig. Slutligen hade vi ett högkvalitativt prov. där vi kunde exfoliera och etsa bort ett specifikt atomlager med fluorvätesyra, säger Jie Zhou, biträdande professor vid institutionen för fysik, kemi och biologi.
Forskarna tog bort yttrium (Y) från modermaterialet YRu2 Si2 , vilket resulterade i bildandet av tvådimensionell Ru2 Six Oy .
Men för att bekräfta framgång i labbet är verifiering nödvändig – steg tre. Forskarna använde sveptransmissionselektronmikroskopet Arwen vid Linköpings universitet. Den kan undersöka material och deras strukturer nere på atomnivå. I Arwen är det också möjligt att undersöka vilka atomer ett material är uppbyggt av med hjälp av spektroskopi.
"Vi kunde bekräfta att vår teoretiska modell fungerade bra och att det resulterande materialet bestod av de korrekta atomerna. Efter exfoliering liknade bilder av materialet sidorna i en bok. Det är fantastiskt att teorin kunde omsättas i praktiken, därigenom utvidgar konceptet med kemisk exfoliering till fler materialfamiljer än MXenes, säger Jonas Björk, docent vid avdelningen för materialdesign.
Forskarnas upptäckt gör att många fler 2D-material med unika egenskaper finns inom räckhåll. Dessa kan i sin tur lägga grunden för en uppsjö av tekniska tillämpningar. Nästa steg för forskarna är att utforska fler potentiella prekursormaterial och skala upp experimenten. Rosén tror att framtida ansökningar är nästan oändliga.
"Allmänt sett har 2D-material visat stor potential för enormt många tillämpningar. Man kan till exempel tänka sig att fånga upp koldioxid eller rena vatten. Nu handlar det om att skala upp syntesen och göra det på ett hållbart sätt", säger Rosén.
Mer information: Jonas Björk et al, Tvådimensionella material genom storskaliga beräkningar och kemisk exfoliering av skiktade fasta ämnen, Science (2024). DOI:10.1126/science.adj6556. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Linköpings universitet
