Materiały niewiarygodnie cienkie, o grubości zaledwie kilku atomów, wykazują unikalne właściwości, które czynią je atrakcyjnymi do magazynowania energii, katalizy i oczyszczania wody. Naukowcy z Uniwersytetu w Linköping w Szwecji opracowali metodę umożliwiającą syntezę setek nowych materiałów 2D. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Science.
Od czasu odkrycia grafenu obszar badań nad niezwykle cienkimi materiałami, tzw. materiałami 2D, wzrósł wykładniczo. Powodem jest to, że materiały 2D mają dużą powierzchnię w stosunku do ich objętości lub wagi. Powoduje to szereg zjawisk fizycznych i charakterystycznych właściwości, takich jak dobra przewodność, wysoka wytrzymałość lub odporność na ciepło, dzięki czemu materiały 2D są interesujące zarówno w badaniach podstawowych, jak i zastosowaniach.
„W folii o grubości zaledwie milimetra mogą znajdować się miliony warstw materiału. Pomiędzy warstwami może zachodzić wiele reakcji chemicznych, dzięki czemu materiały 2D można wykorzystać do magazynowania energii czy wytwarzania paliw, m.in. przykład” – mówi Johanna Rosén, profesor fizyki materiałów na Uniwersytecie w Linköping.
Największa rodzina materiałów 2D nazywa się MXenes. MXenes są tworzone z trójwymiarowego materiału macierzystego zwanego fazą MAX. Składa się z trzech różnych pierwiastków: M to metal przejściowy, A to pierwiastek (grupy A), a X to węgiel lub azot. Poprzez usunięcie pierwiastka A za pomocą kwasów (złuszczanie) powstaje dwuwymiarowy materiał. Do tej pory MXenes była jedyną rodziną materiałów stworzoną w ten sposób.
Badacze z Linköping wprowadzili teoretyczną metodę przewidywania innych materiałów trójwymiarowych, które mogą nadawać się do konwersji na materiały 2D. Udowodnili także, że model teoretyczny jest zgodny z rzeczywistością.
Aby odnieść sukces, naukowcy zastosowali trzyetapowy proces. W pierwszym etapie opracowano model teoretyczny pozwalający przewidzieć, które materiały macierzyste będą odpowiednie. Korzystając z wielkoskalowych obliczeń przeprowadzonych w Narodowym Centrum Superkomputerów, badaczom udało się zidentyfikować 119 obiecujących materiałów 3D z bazy danych oraz selekcji obejmującej 66 643 materiałów.
Następnym krokiem była próba wytworzenia materiału w laboratorium.
„Spośród 119 możliwych materiałów sprawdziliśmy, które mają wymaganą stabilność chemiczną i które są najlepszymi kandydatami. Najpierw musieliśmy zsyntetyzować materiał 3D, co samo w sobie było wyzwaniem. Wreszcie otrzymaliśmy próbkę wysokiej jakości gdzie moglibyśmy złuszczyć i wytrawić określone warstwy atomów za pomocą kwasu fluorowodorowego” – mówi Jie Zhou, adiunkt na Wydziale Fizyki, Chemii i Biologii.
Naukowcy usunęli itr (Y) z materiału macierzystego YRu2Si2, co doprowadziło do powstania dwuwymiarowego Ru2SixOy.
Aby jednak potwierdzić sukces w laboratorium, konieczna jest weryfikacja – krok trzeci. Naukowcy wykorzystali skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy Arwen na Uniwersytecie w Linköping. Może badać materiały i ich struktury na poziomie atomowym. W Arwen możliwe jest również zbadanie, z jakich atomów składa się materiał, za pomocą spektroskopii.
„Udało nam się potwierdzić, że nasz model teoretyczny działał dobrze i że powstały materiał składał się z właściwych atomów. Po eksfoliacji obrazy materiału przypominały strony książki. To niesamowite, że teorię udało się zastosować w praktyce” rozszerzenie koncepcji eksfoliacji chemicznej na więcej rodzin materiałów niż MXenes” – mówi Jonas Björk, profesor nadzwyczajny w wydziale projektowania materiałów.
Odkrycie badaczy oznacza, że w zasięgu ręki jest o wiele więcej materiałów 2D o unikalnych właściwościach. Te z kolei mogą położyć podwaliny pod mnóstwo zastosowań technologicznych. Następnym krokiem dla badaczy jest zbadanie większej liczby potencjalnych materiałów prekursorowych i zwiększenie skali eksperymentów. Johanna Rosén wierzy, że przyszłe zastosowania są niemal nieograniczone.
„Ogólnie rzecz biorąc, materiały 2D wykazały ogromny potencjał w ogromnej liczbie zastosowań. Można sobie wyobrazić na przykład wychwytywanie dwutlenku węgla lub oczyszczanie wody. Teraz chodzi o zwiększenie skali syntezy i zrobienie tego w sposób zrównoważony” – mówi Johanna Rosén.