Uusi 2D-materiaalien maailma on avautumassa

Grafeenin löytämisen jälkeen erittäin ohuiden materiaalien, niin sanottujen 2D-materiaalien, tutkimusala on lisääntynyt eksponentiaalisesti.

”Vain millimetrin ohuessa kalvossa voi olla miljoonia materiaalikerroksia. Kerrosten välillä voi tapahtua paljon kemiallisia reaktioita ja tämän ansiosta 2D-materiaaleja voidaan käyttää esimerkiksi energian varastointiin tai polttoaineiden tuottamiseen, kertoo Linköpingin yliopiston materiaalifysiikan professori Johanna Rosén.

Suurin 2D-materiaalien perhe on nimeltään MXenes. Ne luodaan kolmiulotteisesta perusmateriaalista, jota kutsutaan MAX-faasiksi. Se koostuu kolmesta eri alkuaineesta: M on siirtymämetalli, A on (A-ryhmän) alkuaine ja X on hiili tai typpi. Poistamalla A-elementin hapoilla (kuorinnalla), syntyy kaksiulotteista kerroksellista materiaalia. MXenes on tähän asti ollut ainoa tällä tavalla luotu materiaaliperhe.

Linköpingin tutkijat ovat ottaneet käyttöön teoreettisen menetelmän muiden kolmiulotteisten materiaalien ennustamiseen, jotka voivat olla sopivia muunnettavaksi 2D-materiaaleiksi. He ovat myös osoittaneet, että teoreettinen malli on yhdenmukainen todellisuuden kanssa.

Onnistuakseen tutkijat käyttivät kolmivaiheista prosessia. Ensin he kehittivät teoreettisen mallin ennustamaan, mitkä perusmateriaalit olisivat sopivia. Kansallisen supertietokonekeskuksen laskelmien avulla tutkijat pystyivät tunnistamaan tietokannasta 119 lupaavaa 3D-materiaalia ja 66 643:sta materiaalista koostuvan valikoiman.

Seuraava askel oli yrittää luoda materiaalia laboratoriossa.

”119 mahdollisesta materiaalista tutkimme, millä niistä oli vaadittu kemiallinen vakaus ja mitkä materiaalit olivat parhaita ehdokkaita. Ensin jouduimme syntetisoimaan 3D-materiaalin, mikä oli haaste sinänsä. Lopuksi meillä oli korkealaatuinen näyte, josta voitiin kuoria ja syövyttää tietyt atomikerrokset fluorivetyhapolla", sanoo fysiikan ja kemian professori Jie Zhou.

Sitten tutkijat poistivat yttriumia (Y) lähtömateriaalista YRu2Si2:sta, mikä johti kaksiulotteisen Ru2SixOy:n muodostumiseen.

Vaiheessa kolme tutkijat käyttivät Linköpingin yliopiston pyyhkäisytransmissioelektronimikroskooppia varmistaakseen välttämättömän todentamisen.

”Voimme vahvistaa, että teoreettinen mallimme toimi hyvin ja että tuloksena oleva materiaali koostui oikeista atomeista. Kuorinnan jälkeen materiaalin kuvat muistuttivat kirjan sivuja. On hämmästyttävää, että teoriaa pystyttiin toteuttamaan käytännössä, jolloin kemiallisen kuorinnan käsite laajenisi useampaan materiaaliperheeseen kuin MXenesiin”, sanoo Jonas Björk, apulaisprofessori Materials Design -divisioonasta.

Tutkijoiden löytö tarkoittaa, että ulottuvilla on paljon enemmän ainutlaatuisia ominaisuuksia omaavia 2D-materiaaleja. Nämä puolestaanvoivat luoda perustan lukuisille teknisille sovelluksille. Seuraava askel tutkijoille on tutkia lisää mahdollisia esiastemateriaaleja ja laajentaa kokeita. Johanna Rosén uskoo, että tulevaisuuden sovelluksia on lähes loputtomasti.

Aiheesta aiemmin:

Atomiohuita metallikerroksia uudelle teknologialle

Monikäyttöinen kaksiulotteinen

Nopeampi ja tehokkaampi energian varastointi