Tweedimensionale (2D) nanomaterialen zijn gemaakt door gelaagde materialen op te lossen in vloeistoffen, volgens nieuw UCL-geleid onderzoek. De vloeistoffen kunnen worden gebruikt om de 2D-nanomaterialen over grote oppervlakken en tegen lage kosten aan te brengen, waardoor een groot aantal belangrijke toekomstige toepassingen mogelijk zijn.

2D nanomaterialen, zoals grafeen, hebben het potentieel om technologie te revolutioneren door hun opmerkelijke fysieke eigenschappen, maar hun vertaling naar toepassingen in de echte wereld was beperkt vanwege de uitdagingen van het maken en manipuleren van 2D-nanomaterialen op industriële schaal.

De nieuwe aanpak, vandaag gepubliceerd in Natuurchemie , produceerde enkele lagen van veel 2D-nanomaterialen op een schaalbare manier. De onderzoekers gebruikten de methode op een grote verscheidenheid aan materialen, inclusief die met halfgeleider- en thermo-elektrische eigenschappen, om 2D-materialen te maken die kunnen worden gebruikt in zonnecellen of om verspilde warmte-energie om te zetten in elektrische energie, bijvoorbeeld.

"2D-nanomaterialen hebben uitstekende eigenschappen en een unieke grootte, wat suggereert dat ze in alles kunnen worden gebruikt, van computerschermen tot batterijen tot slim textiel. Veel methoden voor het maken en toepassen van 2D-nanomaterialen zijn moeilijk schaalbaar of kunnen het materiaal beschadigen, maar we hebben een aantal van deze problemen met succes aangepakt. Hopelijk zal ons nieuwe proces ons helpen het potentieel van 2D-nanomaterialen in de toekomst te realiseren, " verklaarde studiedirecteur dr. Chris Howard (UCL Physics &Astronomy).

Voor de studie, gefinancierd door de Royal Academy of Engineering en de Engineering and Physical Sciences Research Council, de wetenschappers plaatsten positief geladen lithium- en kaliumionen tussen de lagen van verschillende materialen, waaronder bismuttelluride (Bi2Te3), molybdeendisulfide (MoS2) en titaniumdisulfide (TiS2), elke laag een negatieve lading geven en een 'gelaagd materiaalzout' creëren.

Deze gelaagde materiaalzouten werden vervolgens voorzichtig opgelost in geselecteerde oplosmiddelen zonder chemische reacties of roeren. Dit gaf oplossingen van 2D nanomateriaalvellen met dezelfde vorm als het uitgangsmateriaal maar met een negatieve lading.

De wetenschappers analyseerden de inhoud van de oplossingen met behulp van atoomkrachtmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie om de structuur en dikte van de 2D-nanomaterialen te onderzoeken. Ze ontdekten dat de gelaagde materialen oplosten in kleine velletjes schone, onbeschadigd, enkele lagen, geïsoleerd in oplossingen.

Het team van de UCL, Universiteit van Bristol, Cambridge Graphene Centre en École Polytechnique Fédérale de Lausanne, konden aantonen dat zelfs de 2D nanomateriaalplaten, bestaande uit miljoenen atomen, stabiele oplossingen gemaakt in plaats van suspensies.

"We hadden niet verwacht dat zo'n reeks 2D-nanomaterialen een oplossing zou vormen toen we het oplosmiddel gewoon aan het zout toevoegden - de gelaagde materiële zouten zijn groot maar lossen op in vloeistof vergelijkbaar met tafelzout in water. Het feit dat ze een vloeistof vormen samen met hun negatieve lading, maakt ze gemakkelijk te manipuleren en op grote schaal te gebruiken, die wetenschappelijk intrigerend is, maar ook relevant voor veel industrieën, " zei eerste auteur Dr. Patrick Cullen (UCL Chemical Engineering).

"We hebben aangetoond dat ze op oppervlakken kunnen worden geverfd en, wanneer het wordt gedroogd, kunnen zichzelf in verschillende tegelvormen rangschikken, die nog niet eerder is gezien. Ze kunnen ook worden gegalvaniseerd op oppervlakken op vrijwel dezelfde manier waarop goud wordt gebruikt om metalen te plateren. We kijken ernaar uit om verschillende 2D-nanomaterialen te maken met behulp van ons proces en ze uit te proberen in verschillende toepassingen, aangezien de mogelijkheden bijna eindeloos zijn, " concludeerde hij.

UCL Business PLC (UCLB), het technologie-commercialiseringsbedrijf van de UCL heeft dit onderzoek gepatenteerd en zal het commercialiseringsproces ondersteunen.