Joshua Robinson herinnert zich de dag in 2006 toen hij hoorde van een materiaal dat is, voor alle praktische doeleinden, tweedimensionaal.

Destijds, hij was een postdoctoraal onderzoeker aan het Naval Research Laboratory in Washington, D.C. Zijn adviseur, Erik Sneeuw, was enthousiast over grafeen, een nieuw geïsoleerde vorm van koolstof. Een neef van het algemeen bekende buckminsterfullereen (of "buckyballs") en koolstofnanobuisjes, grafeen was een platte plaat van slechts één koolstofatoom dik. De atomen waren met elkaar verbonden in een zeszijdige, kippengaaspatroon, een rooster vormen met verbazingwekkende eigenschappen. Het was flexibel, transparant, en sterker dan staal. Het geleidt elektriciteit beter dan koper en warmte beter dan wat dan ook. Kortom, koolstof in deze vorm gedroeg zich niet meer als koolstof. Het gedroeg zich als een geheel nieuw materiaal.

Grafeen werd bekend als het eerste tweedimensionale, of monolaag, materiaal. Inderdaad, op een derde van een miljardste van een meter dik, het is zo dicht bij tweedimensionaal als een tastbaar object kan krijgen. Grafeen is 300, 000 keer dunner dan gewoon printerpapier. Als het papier zo dik was als een gebouw van zes verdiepingen hoog, grafeen zou de dikte van het originele papier zijn.

Robinson bevond zich in een ideale positie om het belang van tweedimensionale (2D) materialen te erkennen. Hij werkte met koolstofnanobuisjes, door ze aan te passen om minieme hoeveelheden stoffen in de lucht te detecteren, zoals die welke worden afgegeven door chemische wapens en explosieven.

"Grafeen was gewoon een uitgepakte nanobuis, " zegt Robinson, die nu assistent-professor en Corning Faculty Fellow is bij de afdeling Materials Science and Engineering, Penn State. "Eric was zo verdomd opgewonden dat ik het niet kon laten om over grafeen te lezen, en raakte meteen verslaafd - dit 'nieuwe materiaal' leek te mooi om waar te zijn."

Struikel blokken

wetenschappers, ingenieurs, en investeerders over de hele wereld raakten enthousiast over grafeen, vooral het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de elektronica. De term "post-silicium" werd bedacht om deze nieuwe grens te beschrijven, en in 2010 won de ontdekking en eerste karakterisering van grafeen de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Maar de overgang van ontdekken naar praktische toepassing bleek niet zo eenvoudig. Hoewel materiaalwetenschappers een verscheidenheid aan nieuwe 2D-materialen kunnen maken met behulp van andere elementen en verbindingen, ze konden niet altijd voorspellen welke eigenschappen die materialen zouden hebben. De kleine of zelfs microscopisch kleine stukjes monolaag waren moeilijk te manipuleren en te analyseren - ondanks hun kracht, ze waren gemakkelijk te scheuren - en onmogelijk om op industriële schaal te maken.

Wat het veld nodig had, was een dieper begrip van 2D-materialen en hun vreemde eigenschappen. Om deze uitdaging aan te gaan, in 2013 startte het Materials Research Institute van Penn State het Center for Two Dimensional and Layered Materials (2DLM). Het centrum brengt ongeveer 50 docenten, postdoctorale onderzoekers, en studenten van Penn State en andere instellingen in het hele land. Het is het eerste onderzoekscentrum dat zich niet alleen richt op grafeen, maar "voorbij grafeen, "volgens Robinson, adjunct-directeur van het centrum. "Het heeft echt geholpen om enkele van de beste nieuwe faculteiten van het land aan te trekken, evenals veel goed presterende studenten."

Bouw blokken

Het werk in het centrum behandelt verschillende brede thema's, zoals het vinden van nieuwe manieren om 2D-materialen te maken en monolagen van verschillende verbindingen te combineren, technieken ontwikkelen om nieuwe materialen en hun eigenschappen te analyseren, begrijpen hoe de architectuur van een gelaagd materiaal de eigenschappen ervan beïnvloedt, en technologieoverdracht - octrooien zoeken en commercieel levensvatbare producten nastreven.

Wetenschappers hier hebben nieuwe monolaagmaterialen gemaakt door een verscheidenheid aan elementen te combineren, zoals wolfraam of molybdeen met zwavel, gallium of silicium met selenium, en boor met stikstof.

Verbeterde technieken voor het bestuderen van 2D-materialen hebben het gemakkelijker gemaakt om te voorspellen welke verbindingen monolagen zullen vormen en hoe ze zich in die vorm zouden kunnen gedragen. zoals grafeen, deze materialen vertonen eigenschappen die niet worden gezien in hun driedimensionale vormen. Verscheidene van hen, zoals molybdeendisulfide, wolfraamdisulfide, en een vorm van boornitride - zijn halfgeleiders die de belofte van ultrakleine elektronica bieden. Sommige zijn fotoluminescent, licht van één golflengte absorberen en de energie op een andere golflengte terugsturen. Ze kunnen de basis worden voor een nieuwe generatie apparaten die licht detecteren of uitstralen.

Sommige monolaag-gebaseerde producten werken nu hun weg naar commerciële toepassingen.

"Ik heb platte beeldschermen gezien, aangeraakt en gebruikt met grafeen als geleidende, transparante elektrode, " zegt Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde, en materiaalkunde en techniek, en directeur van de 2DLM. "Dit zou het eerste product op de markt kunnen zijn. Het voordeel van grafeen is het maken van flexibele platte panelen, iets wat met de huidige technologie niet mogelijk is."

In Penn State zijn grote projecten aan de gang om dergelijke futuristische technologieën om te zetten in realiteit. De National Science Foundation (NSF) bood onlangs steun aan drie van de projecten van het centrum met meer dan $ 4 miljoen aan onderzoeksbeurzen. Robinson's groep ontwikkelt een nieuw type post-siliciumtransistor, de weg vrijmaken voor steeds kleinere elektronica. Joan Roodvleugel, hoogleraar materiaalkunde en techniek, en haar team werken aan manieren om tweedimensionale materialen te maken bij lage temperaturen, om productie voor de industrie haalbaarder te maken en de materialen te laten vormen op glas en plastic. Zhiwen Liu, hoogleraar elektrotechniek, en Ana Laura Elias Arriaga, onderzoeksmedewerker natuurkunde, werken samen met collega's van het Rensselaer Polytechnic Institute om gelaagde materialen te ontwikkelen voor gebruik in op licht gebaseerde technologieën.

Monolagen stapelen

Terrones en Robinson geloven dat de sleutel tot succes in hun vakgebied zal zijn om verschillende soorten monolagen te combineren. Robinson's groep heeft samengewerkt met andere Penn State-faculteiten en onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas om verschillende tweedimensionale materialen direct op elkaar te laten ontstaan.

"Door dit te doen, we hebben echt schone interfaces tussen de lagen kunnen bereiken, "zegt Robinson. "Dit is een sleutel voor nieuwe nano-elektronische circuits."

Net als bij gelaagde materialen gemaakt van een enkele verbinding, deze 'hybride' materialen vertonen vaak onverwacht en potentieel nuttig gedrag. Twee van dergelijke materialen werden gemaakt in het laboratorium van Pulickel Ajayan, een 2DLM-lid aan de Rice University, en vervolgens naar Terrones gestuurd voor analyse.

In een poging om de materialen bij lagere temperaturen dan ooit tevoren te maken, een vooruitgang die massaproductie zou vergemakkelijken, Het team van Ajayan had per ongeluk ervoor gezorgd dat twee bekende materialen nieuwe relaties met elkaar aangingen.

Bij één temperatuur wolfraamdisulfide vormde een laag bovenop een laag molybdeendisulfide. In deze configuratie, de gecombineerde materialen werken als een transistor. Bij een andere temperatuur de twee materialen vormden lagen naast elkaar in hetzelfde vlak.

"Het is alsof je twee verschillende stoffen hebt samengevoegd, maar bij de verbinding zijn de twee stoffen als één, ", zegt Terrones. In de edge-to-edge configuratie, de kruising tussen de twee weefsels is een ontmoetingsplaats waar elektronen en fotonen energie heen en weer doorgeven.

"We ontdekken nu dat deze materialen belangrijke toepassingen kunnen hebben als zeer snelle en gevoelige fotosensoren of zelfs lichtgevende apparaten, ' zegt Terrones.

Het wilde Westen'

Met soortgelijke ontdekkingen die bijna wekelijks plaatsvinden, voorspellingen van geweldige nieuwe producten die zullen komen, zijn teruggekeerd. Deze keer, de opwinding heeft een solide basis van fundamentele wetenschap - en deze keer, de wetenschappers en ingenieurs kijken verder dan het oorspronkelijke doel om grafeen in een nieuw type halfgeleidermateriaal te veranderen.

"Het is waarschijnlijk dat grafeen en andere 2D-materialen belangrijke componenten zullen zijn van draagbare elektronische apparaten, ", zegt Terrones. "Ik voorzie ook dat we deze materialen zullen zien in 'slimme' coatings die eigenschappen veranderen bij een externe prikkel." 2D-coatings kunnen roest en bacteriën bestrijden. Ze kunnen dienen als gevoelige detectoren van de luchtkwaliteit. Ze kunnen zelfs ontmoedigen zeepokken van aangroeiende scheepsrompen De mogelijkheden lijken onbegrensd.

Robinson is het daarmee eens.

"Tweedimensionale materialen zijn veel meer dan een vervanging voor silicium, "zegt hij. "Het belangrijkste van '2D' is dat het nu net het Wilde Westen is. Er is bijna een onvoorstelbaar aantal potentiële toepassingen die er zijn. Maar eerst moeten we hun basiseigenschappen begrijpen om het beste te kunnen identificeren welke toepassingen zullen profiteren van deze nieuwe materialen."