Thomas Heine, hoogleraar theoretische scheikunde aan de TU Dresden, samen met zijn team, voorspelde voor het eerst een topologisch 2D-polymeer in 2019. Slechts een jaar later, een internationaal team onder leiding van Italiaanse onderzoekers was in staat om deze materialen te synthetiseren en hun topologische eigenschappen experimenteel te bewijzen. Voor het gerenommeerde tijdschrift Natuurmaterialen , dit was de gelegenheid om Thomas Heine uit te nodigen voor een artikel in News and Views, die deze week verscheen. Onder de titel "Making 2D Topological Polymers a reality, Prof. Heine beschrijft hoe zijn theorie werkelijkheid werd.

Ultradunne materialen zijn buitengewoon interessant als bouwstenen voor nano-elektronische apparaten van de volgende generatie, omdat het veel gemakkelijker is om circuits en andere complexe structuren te maken door 2D-lagen in de gewenste vormen te vormen. Thomas Heine, Hoogleraar theoretische chemie aan de TU Dresden, werkt aan de voorspelling van dergelijke innovatieve materialen. Hun eigenschappen kunnen nauwkeurig worden berekend met behulp van moderne methoden van computationele chemie, nog voordat ze in het laboratorium zijn gerealiseerd.

Dit onderzoek is vooral interessant voor 2D-polymeren:hun roostertype wordt bepaald door de vorm van hun bouwstenen, en die kunnen worden gekozen uit de bijna oneindige verscheidenheid aan vlakke organische moleculen die passen bij de vereiste structuur. Een bijzonder interessant voorbeeld is het kagome-rooster, die bestaat uit de hoeken en randen van een trihexagonale betegeling. in 2019, Yu Jing en Thomas Heine stelden voor om dergelijke 2-D-polymeren te synthetiseren uit driehoekige organische moleculen (zogenaamde triangulenen). Deze materialen hebben een gecombineerde honingraat-kagome structuur (zie figuur). Hun berekeningen suggereren dat deze 2D-structuren de eigenschappen van grafeen (quasi massaloze ladingsdragers) combineren met die van supergeleiders (platte elektronische banden).

Nu zijn de Italiaanse materiaalwetenschapper Giorgio Contini en zijn internationale team erin geslaagd dit 2-D honingraatkagome-polymeer te synthetiseren, zoals gepubliceerd in Natuurmaterialen eerder deze week. Een innovatieve oppervlaktesynthesemethode maakte het mogelijk om kristallen te produceren van zo'n hoge kwaliteit dat ze geschikt waren voor de experimentele karakterisering van elektronische eigenschappen.

Inderdaad, de voorspelde fascinerende topologische eigenschappen werden onthuld. Dus, Voor de eerste keer, het zou experimenteel kunnen worden bewezen dat topologische materialen kunnen worden gerealiseerd via 2D-polymeren.

Het onderzoek naar 2D-polymeren wordt hiermee op een stevige basis geplaatst. Het hier beschreven Kagome-rooster is slechts één voorbeeld van honderden mogelijkheden om vlakke moleculen te verbinden met regelmatige roosters. Voor een aantal van deze varianten andere interessante elektronische eigenschappen zijn al theoretisch voorspeld. Dit opent tal van nieuwe mogelijkheden voor theoretici en experimentatoren in de scheikunde en natuurkunde om materialen te ontwikkelen met voorheen onbekende eigenschappen.

Prof. Heine legt uit:"Deze resultaten laten zien dat 2D-polymeren materialen kunnen zijn met nuttige elektronische eigenschappen, hoewel hun structuren veel fijnmaziger zijn dan gewone elektronische materialen, met afstanden van meer dan één nanometer tussen de roosterpunten. Voorwaarde is dat de materialen van uitstekende bouwkwaliteit zijn. Dit omvat een hoge kristalliniteit en een zeer lage defectdichtheid. Een andere belangrijke bijdrage van de collega's rond Prof. Contini is dat, hoewel de 2D-polymeren op een metalen oppervlak werden geproduceerd, ze kunnen worden losgemaakt en op elk ander substraat worden overgebracht, zoals siliciumoxide of mica, en dus worden opgenomen in elektronische apparaten."