Ny värld av 2D-material öppnas

Sedan upptäckten av grafen har forskningsfältet inom extremt tunna material, så kallade 2D-material, ökat lavinartat. Anledningen är att 2D-material har en stor yta i förhållande till sin volym eller vikt. Detta kan ge upphov till en rad fysikaliska fenomen och även särskilda egenskaper som god ledningsförmåga, hög hållfasthet eller värmetålighet, vilket gör 2D-material intressanta både inom grundläggande forskning och tillämpad teknik.

– I en film som endast är någon millimeter tunn kan det finnas flera miljoner lager av materialet. Mellan lagren kan det ske en massa kemiska reaktioner och tack vare det kan 2D-material användas för energilagring eller för att generera bränsle till exempel, säger Johanna Rosén, professor i materialfysik vid Linköpings universitet.

Trestegsraket

Den största familjen 2D-material kallas MXener. För att skapa MXener utgår man från ett tredimensionellt grundmaterial som kallas för MAX-fas. Det består av tre olika ämnen: M är en övergångsmetall, A är ett grundämne, och X är kol eller kväve. Genom att ta bort A-delen med syror (exfoliering) skapas ett tvådimensionellt material. Fram till nu har det varit den enda materialfamiljen som skapats på detta sätt.

Linköpingsforskarna har tagit fram en teoretisk metod för att förutsäga andra tredimensionella grundmaterial som kan vara lämpliga att omvandla till 2D-material. De har dessutom bevisat att den teoretiska modellen stämmer i verkligheten.

För att lyckas använde sig forskarna av en trestegsraket. I första steget utvecklades en teoretisk modell för att förutsäga vilka grundmaterial som skulle vara lämpliga. Med hjälp av storskaliga beräkningar vid Nationellt Superdatorcentrum kunde forskarna identifiera 119 lovande grundmaterial från en databas och ett urval bestående av 66 643 material.

Från teori till labb

Nästa steg var att försöka skapa materialet i labb.

– Av 119 möjliga material utvärderade vi vilka som hade den kemiska stabiliteten som krävs och vilket material som var den bästa kandidaten. Först var vi tvungna att syntetisera 3D-materialet vilket var utmanande i sig. Till sist fick vi till ett prov av hög kvalité där vi kunde etsa bort specifika atomlager med hjälp av flourvätesyra, säger Jie Zhou, biträdande universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi.

Det forskarna gjorde var att ta bort yttrium (Y) från grundmaterialet YRu₂Si₂, vilket resulterade i tvådimensionellt Ru₂Si_xO_y.

Men för att veta att man faktiskt lyckats i labbet måste man verifiera det – steg tre. Till sin hjälp hade forskarna sveptransmissionselektronmikroskopet Arwen vid Linköpings universitet. Det kan undersöka materialets struktur ner på atomnivå. I Arwen finns även möjligheten att undersöka vilka atomer ett material är uppbyggt av med hjälp av så kallad spektroskopi.

– Vi kunde bekräfta att vår teoretiska modell fungerade väl och att det resulterande materialet bestod av de rätta atomerna. Efter exfolieringen liknade bilderna på materialet sidorna i en bok. Det är fantastiskt att teorin kunde omsättas i praktiken och att vi därmed utökat konceptet med kemisk exfoliering till fler materialfamiljer än MXener, säger Jonas Björk, universitetslektor vid avdelningen för materialdesign.

Många tillämpningar

Forskarnas upptäckt innebär att många fler 2D-material med unika egenskaper kan skapas. De i sin tur kan lägga grunden till en uppsjö teknologiska tillämpningar. Nästa steg för forskarna är att utforska ytterligare potentiella grundmaterial och skala upp sina försök. Johanna Rosén menar att framtida tillämpningar är nästintill oändliga.

– 2D-material generellt sett har visat stor potential för oerhört många tillämpningar. Man kan tänka sig att fånga in koldioxid eller rena vatten till exempel. Nu handlar det om att skala upp och dessutom göra det på ett hållbart sätt, säger hon.

Studien finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE), Göran Gustafssons stiftelse för naturvetenskaplig och medicinsk forskning, Stiftelsen för strategisk forskning, Europeiska unionen, Vetenskapsrådet samt via den svenska regeringens strategiska satsning på nya funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet.

Artikeln: Two-dimensional materials by large-scale computations and chemical exfoliation of layered solids; Jonas Björk, Jie Zhou, Per O. Å. Persson och Johanna Rosen; Science 2024. Publicerad online 15 mars 2024. DOI: 10.1126/science.adj6556