Material som är extremt tunna, bestående av endast några få atomer i tvärsnitt, uppvisar ovanliga egenskaper, som gör dem lämpliga för bland annat energilagring, katalys och vattenrening. Nu har forskare vid Linköpings universitet utvecklat en metod där hundratals nya 2D-material kan skapas.
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, i ett pressmeddelande.
Den största familjen av 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. Forskarna använde en trestegsprocess för att lyckas. I första steget utvecklades en teoretisk modell för att förutsäga vilka grundmaterial som skulle vara lämpliga. Genom storskaliga beräkningar vid Nationellt Superdatorcentrum lyckades forskarna identifiera 119 lovande grundmaterial ur en databas med totalt 66 643 material. Sedan utvärderade forskarna vilka ämnen som hade den stabilitet som krävs och ta fram den bästa kandidaten. Från grundmaterialet YRu2Si2 avlägsnades yttrium, Y, vilket resulterade i tvådimensionellt Ru2SixOy. Steg tre var att verifiera att arbetet faktiskt lyckats. Det gjorde forskarna med hjälp ab 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. De kunde bekräfta att den teoretiska modellen fungerade väl och att det resulterande materialet bestod av de rätta atomerna.
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.
– 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 Johanna Rosén.
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. Studien är publicerad i tidskriften Science.
