Enkele van de beroemdste wetenschappelijke ontdekkingen zijn per ongeluk gebeurd. Van teflon en de magnetron tot penicilline, wetenschappers die een probleem proberen op te lossen, vinden soms onverwachte dingen. Dit is precies hoe we fosforeen-nanoribbons hebben gemaakt - een materiaal gemaakt van een van de basisbouwstenen van het universum, maar dat kan een revolutie teweegbrengen in een breed scala aan technologieën.

We probeerden lagen fosforkristallen te scheiden in tweedimensionale platen. In plaats daarvan, onze techniek creëerde kleine, tagliatelle-achtige linten van één atoom dik en slechts 100 of zo atomen breed, maar tot 100, 000 atomen lang. We hebben drie jaar besteed aan het slijpen van het productieproces, alvorens onze bevindingen bekend te maken.

De tweedimensionale linten hebben een aantal opmerkelijke eigenschappen. Hun verhouding tussen breedte en lengte is vergelijkbaar met de kabels die de Golden Gate Bridge overspannen. Ze zijn ongelooflijk uniform, maar de manipuleerbare breedte maakt hun eigenschappen mogelijk, zoals of en hoe ze elektriciteit geleiden, te finetunen. Ze zijn ook ongelooflijk flexibel, wat betekent dat ze de contouren van elk oppervlak waarop ze worden aangebracht perfect kunnen volgen, en zelfs verdraaid worden.

Transformatief potentieel

Meer dan 100 wetenschappelijke artikelen voorspelden het transformatieve potentieel van deze nanoribbons, als het mogelijk is om ze te maken, over een reeks technologieën - sommige zelfs vijf jaar voorafgaand aan de publicatie van onze ontdekking in Nature.

Misschien wel de belangrijkste daarvan is op het gebied van batterijtechnologie. De gegolfde structuur van fosforeen-nanoribbons betekent dat de geladen ionen die batterijen van stroom voorzien binnenkort tot 1000 keer sneller kunnen bewegen dan momenteel mogelijk is. Dit zou een aanzienlijke vermindering van de oplaadtijd betekenen, naast een capaciteitsverhoging van ongeveer 50%. Dergelijke prestatieverbeteringen zouden een enorme boost geven aan de elektrische auto- en vliegtuigindustrie, en ons in staat stellen om hernieuwbare energie veel beter te benutten om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, zelfs van grijze, te elimineren, rustige dagen.

Het betekent ook dat in de toekomst batterijen kunnen natriumionen gebruiken in plaats van lithiumionen. Bekende lithiumreserves kunnen mogelijk niet voldoen aan de enorme verwachte toename van de vraag naar batterijen, en extractie van het metaal kan schadelijk zijn voor het milieu. Natrium, daarentegen, is overvloedig en goedkoop.

Het veld van de elektronica kan ook dankbaar zijn voor nanolinten. De wet van Moore stelt dat de rekenkracht van computers elke twee jaar verdubbelt, maar deze snelheid dreigt te vertragen naarmate de fysieke grenzen van materialen snel naderen. Het gebruik van '2-D'-materialen zoals de onze zou deze limieten kunnen herdefiniëren, waardoor we steeds kleinere en snellere apparaten kunnen maken.

De linten kunnen een andere grote wegversperring op dit gebied oplossen:hoe nanomaterialen elektrisch met elkaar te verbinden zonder grote weerstand (en dus energieverlies) bij de verbindingen te creëren. Verschillende lagen dikke versies van fosforeen nanolinten kunnen naadloos worden opgesplitst in linten met verschillende hoogtes en elektrische eigenschappen, het omzeilen van de gebruikelijke technische vereisten van verbindingen. Dankzij dit, hoogrenderende zonnecellen zouden nu veel dichter bij de realiteit kunnen zijn.

De flexibiliteit en thermo-elektrische eigenschappen van de fosforeen nanolinten betekenen dat ze ook kunnen worden ingebed in draagbare stoffen, en gebruikt om restwarmte om te zetten in bruikbare elektriciteit. Bijvoorbeeld, we zouden binnenkort thermo-elektrische t-shirts kunnen zien die functioneren als hart- en bloedsuikerspiegelmeters, allemaal aangedreven door lichaamswarmte alleen.

De technologie zou het potentieel van waterstof als efficiënte en koolstofarme brandstof kunnen ontsluiten. Het gas is overvloedig aanwezig in water en produceert alleen zuurstof als bijproduct wanneer het wordt geëxtraheerd. Echter, het vinden van een manier om dit goedkoop te doen, is wetenschappers tot nu toe ontgaan. Watermoleculen kunnen worden gesplitst via een proces dat fotokatalyse wordt genoemd, maar de methode vereist een materiaal dat veel licht absorbeert, en waarvan de energie-eigenschappen goed overeenkomen met water. Er wordt voorspeld dat nanolinten precies deze eigenschappen hebben, evenals een groot oppervlak dat het contact met water zou maximaliseren, waardoor het een veelbelovende kandidaat is om het raadsel van de waterstofproductie op te lossen.

bemoedigend, fosforeen-nanolinten hebben al grote obstakels op de weg naar commercialisering gepasseerd. Het vinden van een schaalbare productiemethode zoals de onze duurt jaren voor de meeste nieuwe materialen, en sommigen zien nooit het daglicht. Hieraan toegevoegd, fosfor is een relatief overvloedig en gemakkelijk te winnen materiaal in de aardkorst. En aangezien onze linten al in vloeistoffen worden gevormd, inkten of verven kunnen gemakkelijk worden geproduceerd om ze op schaal te manipuleren met behulp van goedkope methoden zoals spraycoating of inkjetprinten.

Het produceren van deze linten is echter slechts de eerste stap op weg naar een revolutie in de bovengenoemde technologieën. Er moet nu veel onderzoek worden gedaan om theoretische voorspellingen te testen, en onderzoeken in hoeverre de eigenschappen van de linten kunnen worden afgestemd op specifieke toepassingen. Zoals de 20-jarige reizen van Teflon, lithium batterijen, en klittenband laat ons zien, de weg van ontdekking naar gebruik kan lang zijn. Maar nu de samenleving steeds meer afstand neemt van fossiele brandstoffen, we verwachten dat die weg binnenkort goed bewandeld zal zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.