חומרים דו מימדיים, כמו גרפן, פותחים גבולות חדשים במדעי החומר

גילוי מקרי

רוב הפריטים הפיזיים עשויים מחומרים תלת מימדיים. חומרים מוצקים עשויים לעתים קרובות מאטומים מאורגנים במבנים תלת מימדיים קבועים היוצרים מתכות וגבישים או אטומים לא מאורגנים היוצרים דברים אחרים.

במשך זמן רב, ההנחה הייתה שזו הצורה היחידה שבה ניתן לארגן את החומר ליצירת עצמים מוצקים. אבל לפני 20 שנה (2004), שני חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר, אנדרה גיים ופרופסור קוסטיה נובוסלוב, גילה חומר דו מימדי, גרפן. הם גילו את זה כמעט במקרה כשהבינו שסרט סקוטש פשוט שהודבק מגרפיט (מה שעושה קצות עיפרון) יצר שכבה חד-אטומית של פחמן.

זה יזכה אותם מאוחר יותר בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2010.

הגרפן עשוי מאטומי פחמן, אך במקום להיות בצורה לא מאורגנת (גרפיט) ​​או גביש מאורגן (יהלומים), בגרפן, אטומי הפחמן מיושרים בשכבה חד-אטומית, כמו גיליון נייר דק במיוחד. הם גם גילו שאפשר אפילו ליצור חומרים בעלי מימד אחד או אפס, כמו ננו-צינורות או נקודות קוונטיות.

מקור: אוסילה

מה שמייחד את החומרים הדו-ממדיים הוא שהתצורה הייחודית הזו מגיעה עם תכונות פיזיקליות ייחודיות.

לדוגמה, הגרפן מוליך בצורה קיצונית, עם אלקטרונים המסוגלים להסתובב בו ב-1/300^th מהירות האור. זהו גם מוליך תרמי טוב מאוד ובעל חוזק המתיחה הגבוה ביותר מכל חומר למרות היותו שקוף אופטית, סופג רק 2% מהאור הנראה הנכנס.

מקור: חזותית חזותית

כל כך הרבה יותר מגרפן

התכונות הייחודיות של גרפן הפכו אותו מיד למוקד של אלפי חוקרים להוטים לחשוף את התכונות החשמליות, הכימיות והפיזיקליות הייחודיות שלו.

עם זאת, אחרים התחילו לתהות אם אלמנטים אחרים מלבד פחמן יכולים ליצור גם חומרים דו-ממדיים. התשובה הייתה כן, כאשר חיזוי תיאורטי מבטיח מאות חומרים דו-ממדיים פוטנציאליים שונים. בין החומרים הדו-ממדיים החשובים והנחקרים ביותר מלבד גרפן, אנו יכולים להזכיר כמה:

• בורופין, עשוי מאטומי בורון, התגלה רק ב-2015.
• זָהוּב, עשוי מאטומי זהב, שיוצר לראשונה בשנת 2024.
• סיליקן, עשוי מאטומי סיליקון.
• פוספורן, עשוי מאטומי זרחן.

נראה גם כי חומרים דו-ממדיים אינם חייבים להיות עשויים מיסוד טהור אחד בלבד - לדוגמה, חד-שכבות של מוליבדן דיסולפיד (MoS2) או סיליקון ניטריד (Si).₃N₄).

אטומים אחרים יכולים גם להיות מחוברים לחד השכבה, וליצור משטח "מחוספס", כמו בעת הוספת מימן לאטומי הפחמן של גרפן כדי ליצור גרפן.

מאת Edgar181 (שיחה) - עבודה משלו, תחום ציבורי, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

בגלל המגוון הקיצוני הזה של החומר, החוקרים רק מתחילים לחשוף את הפוטנציאל של חומרים דו-ממדיים.

יישומים – היבטים בסיסיים

באופן כללי, מה שמייחד את החומרים הדו-ממדיים הוא שהמבנה האטומי המאוד מאורגן שלהם מאפשר את התצורה הייחודית של האלקטרונים שלהם ואת הקשר ההדוק בין האטומים.

זה בתורו מסביר את המוליכות החשמלית יוצאת הדופן (זרימת אלקטרונים), מוליכות תרמית (העברת רמות האנרגיה בין אטומים) והחוזק הפיזי (קשרים קוולנטיים בין אטומים עקב החלפת אלקטרונים).

המבנה הדו-ממדי גם נותן לחומרים אלו את שטחי הפנים הספציפיים הגבוהים ביותר (משטח שבו אפשריות אינטראקציות) מכל החומרים המוכרים. זה הופך אותם למועמדים מצוינים לצורות חדשות של זרזים או, באופן כללי, מעורבות בתגובות כימיות וחשמליות.

מוליכי-על

מכיוון שהאלקטרונים זורמים כמעט לחלוטין על פני השטח של חומרים דו-ממדיים, הם נחשבו מועמדים טובים למוליכות-על.

מוליכות-על היא מה שקורה כאשר חומר מסוגל להוליך חשמל ללא כל התנגדות.

זה אומר שלא רק שאין איבוד אנרגיה, מה שיכול להיות שימושי מאוד לנשיאת כוח למרחקים ארוכים, אלא זה גם אומר שזרם העובר דרך החומר אינו מייצר חום. זה יכול להפוך אותו לשימושי להפליא עבור כל מיני יישומים, ממחשוב ועד רכבי EV ולמעשה כל טכנולוגיה שמשתמשת בחשמל.

בתיאוריה, מוליכות-על, במיוחד מוליכות-על בטמפרטורת החדר יכולה לאפשר שליטה בהיתוך גרעיני, הנעת ספינות עם חשמל, רכבות מגלב זולות ומהירות במיוחד, נהגי המונים להגיע למסלול בעלות נמוכה מאוד וכו' (חקרנו ביתר פירוט את השאלה של מוליכים בטמפרטורת החדר במאמר הייעודי שלנו).

שפע של חומרים דו מימדיים עשוי להציג מוליכות-על בתנאים הנכונים (למשל, טמפרטורה, לחץ וכו'), כולל:

• סרטי מתכת אלמנטריים דקים במיוחד.
• קופרטס.
• תחמוצות פרוסקיט.
• תרכובות מתכת כבדות-פרמיון של אדמה נדירה.
• גרפן.
• ברזל סלניד על משטחי תחמוצת.
• מוליכים אורגניים על משטחי מתכת.

סמיקונדקטורס

מוליכים למחצה הם חומרים המסוגלים לעבור באופן סלקטיבי ממצב מוליך (המעביר אלקטרונים) למצב מבודד (החוסם אלקטרונים). זהו העיקרון הבסיסי שסביבו בנויים טרנזיסטורי סיליקון ורכיבי מחשוב אחרים, כאשר 0 הוא ללא זרם חשמלי ו-1 נוכחות של זרם.

ככל שמוליך למחצה יכול לשנות את המצב המהיר ביותר, כך החישוב המשויך יכול להיות מהיר יותר.

גרפן

בתחילה, חוקרים שחקרו את הגרפן חשבו שהוא יכול להחליף סיליקון במוליכים למחצה. לרוע המזל, הוא מפספס תכונה אלקטרונית מרכזית הנקראת "פער להקה".

פער פס הוא זה שקובע אם חומר ייחשב למתכת (מוליך חשמל), מבודד (חוסם חשמל) או מוליך למחצה (שיכול לעבור בין מוליך למבודד).

מקור: חינוך לאנרגיה

הבעיה היא שלגרפן אין פער פס בכלל, מה שמונע את השימוש בו כמוליך למחצה.

זה היה נכון עד שנת 2024 כאשר החוקרים הכריזו שהם הצליחו ליצור את המוליך למחצה הראשון בעולם העשוי מגרפן.

"יש לנו כעת מוליך למחצה גרפן חזק במיוחד עם ניידות פי עשרה מסיליקון, ושיש לו גם תכונות ייחודיות שאינן זמינות בסיליקון.

"היינו צריכים ללמוד איך לטפל בחומר, איך לעשות אותו טוב יותר ויותר, ולבסוף, איך למדוד את התכונות. זה לקח הרבה מאוד זמן".

זָהוּב

חומר דו-ממדי נוסף שמעניין הוא הזהב, בעיקרו גרפן, אבל זהב מחליף את אטומי הפחמן.

זהב כבר נפוץ בשבבים ורכיבי מחשב הודות לתכונותיו יוצאות הדופן, כמו עמידות בפני חמצון ומוליכות חשמלית גבוהה מאוד.

עם ייצור ב-2024 של השכבה המוזהבת הראשונה, מאפיינים של מוליכים למחצה עשויים להתווסף לרשימה.

"אם אתה עושה חומר דק במיוחד, משהו יוצא דופן קורה - כמו עם גרפן. אותו דבר קורה עם זהב. כידוע, זהב הוא בדרך כלל מתכת, אבל אם שכבה בעובי אטום בודד, אז זהב יכול להפוך למוליכים למחצה במקום זאת".

מוליכים למחצה אורגניים

מולקולות אורגניות עשויות משלד של פחמן, יחד עם יסודות אחרים, בדרך כלל חמצן, חנקן, גופרית וכו'.

לאחרונה, חוקרים גילו שהם יכולים להכריח פולימרים אורגניים כדי להישאר בתצורת דו-ממד ולהימנע ממספר שכבות הנערמות זו על זו.

מקור: POSTECH

לאחר מכן הם השתמשו בצעד שנקרא סימום מסוג p, בשימוש נפוץ בייצור של מוליכים למחצה.

זה מתייחס להוספת אלמנטים לחומר מוליכים למחצה כדי להפוך אותו אפילו יותר מוליך.

מקור: ויקיפדיה מאת VectorVoyager

החומר שהתקבל תואר על ידי החוקרים כבעל "מוליכות חשמלית יוצאת דופן".

אז גם אם איכשהו חומרים כמו גרפן קשים מדי לייצור המוני בתצורת מוליכים למחצה, או שגולדן יקר מדי, כנראה שמוליכים למחצה אורגניים יהיו שם כדי לאפשר אימוץ של מוליכים למחצה דו מימדיים בעתיד הקרוב.

סופר-חומרי

בעוד שמאפיינים חשמליים הם ליבת העניין של מדענים בחומרים דו-ממדיים, התכונות הפיזיקליות שלהם מרשימות באותה מידה.

לדוגמה, גרפן חזק פי 200 מפלדה עבור מסה שווה. ניתן לשלב גרפן בבטון, כמו הפלדה בבטון משוריין, יצירת בטון חזק פי 2.5 וחדיר פי 4 פחות למים. בנוסף, הגרפן אינו מחליד כמו פלדה, מה שהופך בטון מזוין גרפן לא פגיע ל"ריקבון בטון" הנגרם מחמצון ברזל, מה שמגביל מאוד את תוחלת החיים של מבני בטון.

מאת אחים הרינג – עבודה עצמית, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

ההתנגדות הקיצונית + המשקל הקל של גרפן ו-2 חומרים אחרים יכולים לשמש גם ליצירת שריון גוף טוב יותר.

תחום יישום נוסף יכול להיות ניהול תרמי. לדוגמה, חוקרים גילו לאחרונה שניתן לייצר חומר שהוא גם מבודד וגם נוקשה (שילוב נדיר) על ידי יצירת פרוסקיטים אורגניים-אי-אורגניים היברידיים דו-ממדיים.

חומרים דו מימדיים כמו ניתן להשתמש בגרפן ובבור-ניטריד משושה גם לפיזור חום במכשירים אלקטרוניים ואופטואלקטרוניים.

לבסוף, ניתן להשתמש בחומרים דו-ממדיים עמידים במיוחד כדי להשיג תשתיות עתידניות, כמו למשל מעליות חלל. עם זאת, צעדים כאלה יהיו מציאותיים רק לאחר שהבנו כיצד לייצר כלכלית את החומרים הללו לא בגרמים או בקילוגרמים, אלא במיליוני טונות.

ביוטק

רמת משטח גבוהה מאוד, שכבה דקה במיוחד ותכונות כימיות ייחודיות הופכות חומרים דו-ממדיים למועמדים טובים להרבה יישומי נישה בתעשיות הרפואה והביוטק.

זה כולל מתן תרופות, הדמיה, הנדסת רקמות, חיישנים ביולוגיים וחיישני גז.

גורם נוסף להופעתם של חומרים דו-ממדיים ביישומים ביולוגיים הוא התגליות האחרונות המאפשרות להם להעניק להם מאפיין הנקרא כיראליות.

כיראליות היא מונח כימיה שמשמעותו שלמולקולות יש סימטריה שמאלית/ימנית. כיראליות היא תכונה חשובה של מולקולות אורגניות, למשל, חומצות האמינו שהן אבני הבניין של חלבונים.

מקור: UC סנטה ברברה

במולקולות, כיראליות יכולה לגרום ליחידות ביולוגיות או כימיות להתקיים בשתי גרסאות שאינן ניתנות להתאמה מושלמת, כמו בכפפה שמאלית וימנית. הם יכולים לשקף זה את זה במדויק, אבל כפפה שמאל לעולם לא תתאים ליד ימין כמו שהיא מתאימה ליד שמאל.

יחסי ציבור. דיפנג'אן פאן

לאחרונה, חוקרים סינתזו טסיות בורופן, בדומה לאופן שבו שברי בורופן יכנסו לזרם הדם. הם גילו שהתכונות הכיראליות של הגרסאות השונות של בורופן קיימו אינטראקציה שונה עם ממברנות התאים, ונכנסו לתאים בצורה שונה.

זה פותח את הדרך לתכנון מבני בורופן מותאמים אישית עבור יישומים כמו "פיתוח של הדמיה רפואית ברזולוציה גבוהה יותר עם ניגודיות שיכולה לעקוב במדויק אחר אינטראקציות תאים או אספקה ​​טובה יותר של תרופות עם אינטראקציות חומר-תא מדויקות."

הבנה טובה יותר של האופן שבו מבנה בורופן יוצר אינטראקציה עם תאים חיים תעזור גם להבהיר את פרופיל הבטיחות שלו.

בעוד שפרופיל הבריאות של בורופן עדיין בהערכה, נראה שניתן אפילו לשאוף בבטחה גרפן ללא כל סיכון חריף לבריאות האדם. תוצאות אלו עדיין ראשוניות מאוד, אך ככל הנראה מצביעות על כך שההתפשטות המהירה של חומרים דו-ממדיים לא אמורה לגרום לבעיות בריאות הציבור.

וככל שהם יותר תואמים ביו, כך גדל הסיכוי שניתן יהיה להשתמש בהם לפיתוח חיישנים ביולוגיים או להפעיל ננו-רובוטים בזרם הדם שלנו.

מגבלות

ייצור בקנה מידה

אפילו החומר הדו-ממדי המבוסס והתגלה הראשון ביותר, גרפן, הוא עדיין מאוד נחלת המעבדות והסטארט-אפים.

הסיבה לכך היא שייצורו בקנה מידה הוא עדיין הצעה מסובכת. לייצר כמויות קטנות זה די קל, אבל לייצר כמויות אדירות בצורה חצי אוטומטית זה לא.

סרט סקוטש שהודבק על פיסת גרפיט הספיק כדי לגלות גרפן. אבל נדרשות שיטות הרבה יותר מורכבות כמו כימיקלים (CVD) לייצור המוני.

זה לאט לאט הופך למציאות יותר, עם, למשל, פרסום תהליך ל-CVD ללא חמצן לייצור גרפן בטוהר גבוה.

מדביקים אותו

בעיה נוספת עם חומרים דו מימדיים היא שבגלל שהם כל כך דקים וייחודיים מבחינה כימית, יכול להיות קשה להדביק אותם על חומרים אחרים.

לעתים קרובות נדרשות טכניקות מיוחדות כדי לגרום לשכבת גרפן להיצמד לשבבי מחשב, לספק כוח או למכשיר רפואי.

זה יכול להיות הרבה יותר זמן ועתיר משאבים מאשר חלופות פחות יעילות אך קלות יותר ליישום.

עלויות

מכיוון שלעת עתה, רוב שיטות הייצור והיישומים למכשירים קיימים הם לרוב בקנה מידה קטן או מותאמים אישית, חומרים דו-ממדיים נשארו יקרים למדי.

המחיר בפועל יכול להשתנות מאוד בהתאם לטוהר, עם למשל גרפן נע בין 20-2,000 דולר לק"ג.

המשמעות היא שגם במחיר הזול ביותר, הגרפן עדיין יקר פי 20 מפלדה. בנוסף, כדי להשיג ביצועים מקובלים בהחלפת הפלדה האמורה, כנראה נדרש יותר מהטוהר הנמוך ביותר האפשרי.

חברות חומרים דו מימדיים

תחום החומרים הדו-ממדיים מתפתח מהר מאוד, כשאפשרויות חדשות כמו גולדן מתגלות באופן קבוע, ותובנה חדשה כיצד לייעל חומרים "ישנים" כמו הפיכת גרפן למוליך למחצה.

סביר להניח שמוצרים אלה יהפכו למגזר כלכלי מרכזי רק ברגע שייוצרו בקנה מידה בשיטות תעשייתיות.

עד כה, השיטה המתקדמת והמתועדת ביותר היא CVD, המעניקה יתרון משמעותי למומחי CVD כדי ללכוד הרבה מהערך של ייצור חומרים דו מימדיים.

1. Veeco

Veeco הייתה ספקית עיקרית של ציוד לתעשיית ייצור המוליכים למחצה מאז הקמתה בשנת 1945. המכונות שלה משמשות לייצור שבבי EUV מתקדמים, אנטנות 5G, כוננים קשיחים, LIDAR, LEDs, אלקטרוניקה כוח עבור EVs וכו'.

מקור: Veeco

המוקד הטכנולוגי העיקרי של החברה הוא אותו תהליך CVD המשמש לייצור בורופן, או ליתר דיוק, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).

מקור: Veeco

כמובילה בפלח הנישה הזה של תעשיית המוליכים למחצה, Veeco יכולה להיות מועמדת טובה להמר על עליית יישומי CVD נוספים.

צמיחה כזו יכולה לנבוע מהשימוש הגובר בגרפן, טונגסטן ובורופן, ככל שאנו משתפרים בהדרגה במניפולציה של החומר ברמה האטומית.

סביר להניח שהוא גם ירוויח מהמגמות האדירות של דיגיטליזציה, בינה מלאכותית וחשמול, בין אם הוא יעשה שימוש מסיבי בחומרים דו-ממדיים בקרוב או לא.

2. קבוצת ייצור גרפן (gmg)

GMG היא יצרנית גרפן אשר מיקדה את היצע המוצרים שלה במוצרים מבוססי גרפן שכבר הוכחו כמו ציפוי חום וחומרי סיכה.

זה הופך את GMG לאופציה טובה למשקיעים המחפשים חשיפה ישירה לשוק הגרפן ולחברה שכבר פעילה בייצור המוני של גרפן ושיפור שיטת הייצור הנוכחית.

מקור: gmg

כמה יישומים נוספים יכולים להיות יצירה של מוליכים למחצה גרפן (ראה "מוליכים למחצה גרפן - האם הם סוף סוף כאן?"), או אפילו מוליכים בטמפרטורת החדר. ציפוי גרפן יכול למצוא שימוש גם בסוללות ובטכנולוגיות של כלי לחץ מימן.

מקור: gmg

GMG מייצרת את הגרפן שלה מתאן + מימן, השונה מרוב מתחרותיה, המייצרות אותו ממרבצים טבעיים של גרפיט. זה מאפשר טוהר גבוה יותר, יותר מדרגיות וייצור בעלות נמוכה.

החברה השיקה את מתקן הייצור הראשון שלה באוסטרליה בשנת 2023, עם ייצור של עד מיליון ליטר של ציפוי מחליף חום בשנה.

השלב הבא של החברה יהיה טכנולוגיית הסוללה שלה המבוססת על יון אלומיניום גרפן, עם צפיפות של 290 וואט/ק"ג, טעינה מהירה פי 60 מסוללות ליתיום-יון, חיי סוללה פי 3 ופרופיל סכנת שריפה טוב יותר.

מקור: gmg

כניסה זו לשוק הסוללות עשויה להיות הימור גדול עבור GMG, אך גם מעניקה לה פרספקטיבה ייחודית על השוק העתידי שיכול להיפתח עבור גרפן, כולל ב-EV ויישומים אחרים הקשורים לכוח.