Het sterkste materiaal dat de mensheid kent, werd voor het eerst ontdekt met plakband. Vandaag, deze tweedimensionale (2-D) versie van koolstof, bekend als grafeen, is het onderwerp van intensief onderzoek over de hele wereld. Velen hopen dat de unieke eigenschappen ervan kunnen leiden tot doorbraken op gebieden van elektronica tot medicijnen.

Met 2-D bedoelen we dat het is gemaakt van een enkele laag atomen. In het geval van grafeen, deze zijn gerangschikt in een zeshoekig patroon waardoor het ongelooflijk sterk is. Het geleidt ook elektriciteit en warmte op ongekende niveaus, is ondoordringbaar voor gassen en kan zowel bros als taai zijn.

Maar hoewel grafeen ongelooflijke aandacht heeft gekregen en de ontdekkers ervan een Nobelprijs heeft opgeleverd, het is niet langer de enige in de wereld van 2D-materialen. Veel andere soortgelijke materialen zijn sindsdien voorspeld en geïsoleerd, elk met vergelijkbare structurele eigenschappen als grafeen, maar ook een verscheidenheid aan unieke individuele kenmerken.

In feite, er zijn zoveel 2D-materialen met zo'n grote verscheidenheid aan eigenschappen dat we ze effectief kunnen gebruiken om nieuwe 3D-materialen te ontwerpen en te bouwen met de exacte eigenschappen die we willen. Dit idee van een "Lego-set" op atomaire schaal creëert potentieel oneindige mogelijkheden voor nieuwe stoffen.

theoretisch, bijna elk 3D-materiaal kan een 2D-tegenhanger hebben. De lijst tot nu toe omvat:siliceen (een enkele laag silicium), fosforeen (een enkele laag zwarte fosfor), en verschillende monolagen van chemische verbindingen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's), zoals molybdeendisulfide (MoS₂) en molybdeenditelluride (MoTe₂). Er wordt onderzoek gedaan naar waarschijnlijk tientallen methoden om deze materialen te isoleren. De twee belangrijkste methoden die worden gebruikt, zijn mechanische exfoliatie - de methode die voor het eerst werd gebruikt om grafeen te maken door afzonderlijke lagen met plakband te isoleren - en door effectief een 2D-laag van kristallen rechtstreeks op een vlakke ondergrond te laten groeien.

In praktijk, echter, er zijn veel beperkingen aan wat momenteel mogelijk is. Alleen zeer thermisch en chemisch stabiele materialen kunnen worden gescheiden in monolagen, die meteen veel elementen verdisconteert. En, eenmaal geïsoleerd, veel metalen monolagen in het bijzonder hebben de neiging om te corroderen of te oxideren op een manier die hun gewenste eigenschappen vernietigt.

Als je eenmaal een 2D-materiaal hebt, je kunt het dan bedekken met andere stoffen met heel verschillende chemische eigenschappen om "heterostructuren" te creëren. We kunnen bijvoorbeeld halfgeleiders combineren met magneten, of metalen met supergeleiders. De lijst met mogelijke combinaties groeit exponentieel.

Deze kunnen met atomaire precisie op maat worden gemaakt met behulp van scanning tunneling microscopen. Deze methoden omvatten het genereren van een elektrische stroom tussen een oppervlak en de punt van de atomair fijne sonde om individuele atomen op te pikken en te verplaatsen. Een dergelijke 2-D heterostructuur die in het laboratorium is gemaakt, combineert atomaire monolagen van grafeen en hexagonaal boornitride (h-BN).

Volledig nieuwe functionaliteiten

Zowel 2D-materialen als heterostructuren hebben al veel actuele en potentiële toepassingen gevonden op een breed scala van gebieden. Bijvoorbeeld, grafeen heeft de droom mogelijk gemaakt om circuits te "printen" op flexibele plastic basissen, in ieder geval in een laboratorium. In de toekomst, dit kan leiden tot consumentenproducten zoals flexibele tv's, smartphones en gebruiksvriendelijkere draagbare apparaten.

De ontdekking van een groot aantal andere 2D-materialen heeft bijna oneindige manieren geopend om verschillende eigenschappen te combineren, die de ontwikkeling van deze toepassingen enorm zou kunnen verbeteren of versnellen. Bijvoorbeeld, het gebruik van h-BN als basis voor grafeenelektronica in plaats van het traditionele siliciumdioxide zou enkele van de problemen met de technologie kunnen verminderen. Omdat h-BN-monolagen ultraplat zijn en op dezelfde manier kunnen worden geïsoleerd als grafeen, het is mogelijk om atomaire gebreken in de basis te verwijderen die de eigenschappen van de grafeenplaat verstoren.

Verder, vooruitgang in 2D-materiaalonderzoek maakt een nieuwe manier mogelijk om computerprocessors nog sneller te maken; iets dat als essentieel wordt beschouwd om de vooruitgang van de elektronische technologie in stand te houden. Computerchips maken hun berekeningen met behulp van grote aantallen transistors, die elk werken door elektronen tussen verschillende lagen halfgeleidermateriaal te verplaatsen. Als je meer dan één type 2D-materiaal hebt, kun je ze gebruiken om elk van de verschillende halfgeleiderlagen slechts één atoom dik te maken. Naarmate transistoren kleiner worden, er kunnen er meer op elke computerchip worden geplaatst, en dit leidt dan natuurlijk tot de productie van snellere processors.

We konden ook grafeen en andere 2D-materialen zien die worden gebruikt om energie op te wekken en op te slaan. Bijvoorbeeld, Op grafeen gebaseerde heterostructuren kunnen worden gebruikt om zeer efficiënte en flexibele zonne- en brandstofcellen te creëren. Deze heterostructuren worden ook gebruikt om batterijen en supercondensatoren van de volgende generatie te ontwikkelen, die sneller opladen en een langere energie-output beloven. Wetenschappers zijn er zelfs in geslaagd om 2D-versies van materialen te maken die voorheen onmogelijk waren, zoals een 2D-versie van het mineraal perovskiet, die kunnen worden gebruikt om LED's te verbeteren.

Met de groei van elektrische auto's en bedrijven zoals Tesla die ons leiden naar een toekomst van groenere energieconversie- en opslagoplossingen, er is zeker een enorme focus op dit soort technologie in de nabije toekomst.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.