Odkrywamy nowy świat możliwości materiałów 2D

Niewiarygodnie cienki materiał, o grubości zaledwie kilku atomów, ma unikalne właściwości, które czynią go atrakcyjnym do magazynowania energii, katalizy i oczyszczania wody. Naukowcy z Uniwersytetu Linköping w Szwecji opracowali metodę umożliwiającą syntezę setek nowych materiałów 2D. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Science.

Od czasu odkrycia grafenu pole badań nad ultracienkimi materiałami, tzw. materiałami 2D, dramatycznie się rozwinęło. Powodem jest to, że materiały 2D mają dużą powierzchnię w stosunku do ich objętości lub wagi. Powoduje to szereg zjawisk fizycznych i odrębnych właściwości, takich jak dobra przewodność, wysoka wytrzymałość lub odporność na ciepło, dzięki czemu materiały 2D cieszą się zainteresowaniem w badaniach podstawowych i zastosowaniach.

„W folii o grubości zaledwie jednego milimetra mogą znajdować się miliony warstw materiału. Pomiędzy warstwami może zachodzić wiele reakcji chemicznych, dzięki czemu materiały 2D można wykorzystać do magazynowania energii lub wytwarzania paliwa np. ” – mówi Joanna Rosen, profesor fizyki materiałów na Uniwersytecie w Linköping.

Największa rodzina materiałów 2D nazywa się MXenes. MXenes są tworzone z natywnego materiału 3D zwanego fazą MAX. Składa się z trzech różnych pierwiastków: M to metal przejściowy, A to pierwiastek (grupa A), a X to węgiel lub azot. Poprzez usunięcie pierwiastka A kwasami (peeling) powstaje dwuwymiarowy materiał. Jak dotąd MXenes to jedyna fizyczna rodzina stworzona w ten sposób.

Badacze z Linköping zaprezentowali teoretyczną metodę przewidywania, które inne materiały 3D mogą nadawać się do konwersji na materiały 2D. Wykazali także, że model teoretyczny odpowiada rzeczywistości.

Aby osiągnąć sukces, naukowcy zastosowali trzyetapowy proces. W pierwszym etapie opracowano model teoretyczny pozwalający przewidzieć, które materiały macierzyste będą odpowiednie. Korzystając z wielkoskalowych obliczeń przeprowadzonych w Narodowym Centrum Superkomputerów, badaczom udało się zidentyfikować 119 obiecujących materiałów 3D z bazy danych i wybrać 66 643 materiałów.

Następnym krokiem była próba wytworzenia materiału w laboratorium.

„Spośród 119 potencjalnych materiałów zbadaliśmy, które mają wymaganą stabilność chemiczną i które materiały są najlepszymi kandydatami. Najpierw musieliśmy wyprodukować materiał 3D, co samo w sobie było wyzwaniem. Wreszcie otrzymaliśmy próbkę wysokiej jakości ”, mówi profesor Jie Zhou. Asystent na Wydziale Fizyki, Chemii i Biologii: „Możemy zdzierać i trawić określone warstwy atomów za pomocą kwasu fluorowodorowego”.

Naukowcy usunęli itr (Y) z materiału macierzystego YRu₂zły₂W rezultacie powstaje dwuwymiarowy Ru₂zły_SHej_y.

Ale aby potwierdzić sukces w laboratorium, konieczna jest weryfikacja – trzeci krok. Naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop elektronowy Erwina na Uniwersytecie w Linköping. Może badać materiały i ich strukturę aż do poziomu atomowego. W Arwen możliwe jest również badanie atomów tworzących substancję za pomocą spektroskopii.

„Udało nam się potwierdzić, że nasz model teoretyczny działa dobrze i że powstały materiał składa się z właściwych atomów. Po oderwaniu obrazy materiału przypominają strony książki. Niesamowite jest zastosowanie teorii w praktyce, dlatego niesamowite jest zastosowanie teorii w praktyce” – mówi Jonas Björk, profesor nadzwyczajny na Wydziale Wzornictwa. Materiały: „Rozszerzenie koncepcji peelingu chemicznego o więcej rodzin materiałów niż MXenes”.

Odkrycie naukowców oznacza, że ​​w zasięgu ręki jest wiele materiałów 2D o unikalnych właściwościach. Te z kolei mogą położyć podwaliny pod wiele zastosowań technologicznych. Następnym krokiem dla badaczy jest zbadanie większej liczby potencjalnych materiałów wyjściowych i poszerzenie zakresu eksperymentów. Joanna Rosen wierzy, że przyszłe zastosowania są niemal nieograniczone.

„Ogólnie rzecz biorąc, materiały 2D wykazały ogromny potencjał w ogromnej liczbie zastosowań” – mówi Johanna Rosen. „Można sobie wyobrazić na przykład wychwytywanie dwutlenku węgla lub oczyszczanie wody. Teraz chodzi o zwiększenie skali procesu syntezy i przeprowadzenie go w zrównoważony sposób.”