Grafenden Goldene'ye: Gelişmiş Tek Atom Katmanlı Malzemeler Gelecekteki Keşiflere Yeni Kapılar Açıyor

Hiçbirimizin aklında altının değerinden şüphe yok. Sonuçta en popüler ve en uzun süredir devam eden değer saklama aracıdır. Ancak insan uygarlığının gerçekleştirdiği bilimsel ilerlemeler artık bizi Goldene'nin eşiğine getirdi. Ve en azından oyunun kurallarını değiştirebilir. Peki Goldene nedir? Bilim camiası neden bu kadar heyecanlı? Daha derine inelim.

Goldene: Yalnızca Tek Atom Katmanı Kalınlığında Altın Levhalar

İlk defa, Linköping Üniversitesi'nden araştırmacılarİsveç, kalınlığı tek bir atom katmanına eşit olan altın tabakaları yarattı. Araştırmacılar bu türetmeye Goldene adını verdiler. Goldene, karbondioksit dönüşümü, hidrojen üretimi ve katma değerli kimyasalların üretimi de dahil olmak üzere bir dizi karmaşık görev için kullanışlı olabilir. 

Üniversitenin Malzeme Tasarımı Bölümünde araştırmacı olan Shun Kashiwaya'ya göre:

"Bir malzemeyi son derece ince yaparsanız, grafende olduğu gibi olağanüstü bir şey olur. Aynı şey altın için de geçerli. Bildiğiniz gibi altın genellikle bir metaldir ancak tek bir atom tabakası kalınsa altın bunun yerine yarı iletken hale gelebilir.”

'Altın' Nasıl Yaratıldı?

Buluş, titanyum ve karbon katmanları arasına altının gömülmesiyle oluşturulan üç boyutlu bir temel malzemenin geliştirilmesiyle başladı. Yüksek sıcaklıklarda, ince katmanlı Titanyum Silisyum Karbür silikonunun yerini Altın aldı ve Titanyum Altın Karbürün keşfine yol açtı. Ancak bu bir şans eseri keşifti. Araştırmacılar, elektriksel olarak iletken titanyum silisyum karbürü altınla kaplamayı ve böylece temas edebilmeyi hedefliyordu.  

Araştırmacılar, işlerini gerçekleştirmek için, yüz yılı aşkın bir süredir Japon dövme sanatının bir bileşeni olarak var olan geleneksel bir yöntemden yararlandılar. Bileşene Murakami'nin reaktifi adı veriliyor. Araştırmacılar bunu farklı konsantrasyonlarda ve farklı zaman dilimlerinde kullandılar. sonunda bileşene ulaşmak için. 

Sonunda tek bir atomun istenilen kalınlığındaki altın levhaları üretebilseler de, onları kararlı hale getirmek çok önemliydi. Yaprakların kıvrılmamasını sağlamak için yüzey aktif madde olarak, tabakaları ayırmak ve stabilize etmek için uzun bir molekül olan tensid kullandılar. 

Araştırmacılardan Shun Kashiwaya, nihai çıktıyı ve bilimsel doğrulamasını anlatırken şunları söyledi:

“Altın tabakalar bir miktar sütteki mısır gevreği gibi bir çözelti içerisinde. Bir tür "elek" kullanarak altını toplayabilir ve başarılı olduğumuzu doğrulamak için onu bir elektron mikroskobu kullanarak inceleyebiliriz. Bizde var."

Goldene'nin Birçok Potansiyel Uygulaması

Goldene'nin potansiyel uygulamaları, karbondioksit dönüşümü, hidrojen üreten kataliz, katma değerli kimyasalların seçici üretimi, hidrojen üretimi, su arıtma, iletişim ve çok daha fazlasını içeren çok çeşitli alanları kapsamaktadır.

Sonraki takipte araştırmacılar, bu uygulamalarda kullanılan altın miktarını azaltma ve altını diğer soy metallerle değiştirme olasılığını araştırmayı planlıyor. Bu yeni bileşiklerin çok daha fazla yeni uygulaması olabilir. 

Goldene, bilimsel ve teknolojik uygulamalar açısından birçok yeni kapı açmayı vaat etse de bilim camiasının tek katmanlı atom malzemelerine olan hayranlığı yeni değil. 

Tek Katmanlı Atom Malzemelerinin İlginç Hikayesi: Grafen ve Daha Fazlası

Ne zaman tek katmanlı atom malzemelerinden bahsetsek, mutlaka Grafen'den bahsediyoruz. Bu potansiyeli nedeniyle popüler. Karbonun kristal formu olan Grafitten elde edilen Grafen hafif, elastik ve sağlamdır. İnceliğinin yanı sıra çeliğe göre 200 kat daha yüksek dirence sahiptir. Ancak alüminyumdan beş kat daha hafiftir. Aynı zamanda ışık emme yeteneklerine ve yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir.  

Grafen, araştırmacıların başarılı bir şekilde gösterebildiği son zamanlarda elde edilen bir atılım nedeniyle bugünlerde daha fazla tartışılıyor. ilk fonksiyonel grafen yarı iletken. Bu keşif, bilgisayar ve elektronik dünyasında dramatik değişikliklere yol açabilir. 

Grafen en popüler ve yaygın olarak uygulanabilir tek katmanlı atom malzemesi olsa da, kategoride başka örnekler de var. 

Tek katmanlı atom malzemeleri aynı zamanda 2 boyutlu katmansız malzemeler olarak da bilinir. Oluşumları üç boyutlu (3D) kimyasal bağlanma yoluyla gerçekleştiğinden, yüzeyde doymamış sarkan bağlara neden olduğundan ve yüksek aktiviteli ve yüksek enerjili bir yüzey oluşturduğundan bu şekilde adlandırılmışlardır. 

Grafen dışında bu tür tek katmanlı malzemelerin bir örneği, fosforen olarak bilinen siyah fosfordur. Diğer katmanlı olmayan malzemelerin yanı sıra silikon ve germanen örneklerimiz de var. 

Katmana bağlı özellikleri, katman kenar etkileri ve değişken bant yapıları nedeniyle bu malzemeler genellikle kenarlarında benzersiz özellikler sergiler. Bunlar, aynı zamanda onları ayarlama özellikleriyle donatan gerilim veya uygulanan elektrik alanları ile değiştirilebilir. 

Metal kalkojenitler, metal oksitler, III-V yarı iletkenler ve organik-inorganik perovskitler, en yaygın tek katmanlı atom veya iki boyutlu katmansız malzemelerden bazıları arasındadır. 

Kısaca inceleyelim gerçek hayattan bazı örnekler bu tür malzemelerden. Metal Kalkojenitlerin örnekleri arasında molibden disülfür (MoS2), tungsten disülfür (WS2) ve tungsten diselenid (WSe2) yer alırken, indiyum oksit (In2O3), kalay oksit (SnO2) ve çinko oksit (ZnO) metal oksitlerin başlıca örnekleridir. 

III-V yarı iletkenleri isimlerini, fosfor, arsenik veya antimon gibi bir grup V elementine bağlı alüminyum, galyum veya indiyum gibi bir grup III elementi içermelerinden alırlar. Galyum Arsenit ve İndiyum Fosfat, III-V yarı iletkenlerin örnekleridir. 

Organik-inorganik perovskitlerin örnekleri arasında metil amonyum kurşun iyodür (MAPbI3) ve formamidinyum kurşun iyodür (FAPbI3) yer alır.

Bu malzemeler çeşitli uygulamalar bulabilir. Bunların üzerine çözüm üreten işletmeler var. Önümüzdeki bölümde bunlara bakacağız. 

# 1. Haydale Grafen Endüstrileri

Grafenin hareketsiz doğası benimsenmesini zorlaştırdı. Haydale Grafen Endüstrileri, sorunu gidermek için, bu plazma işlevselleştirme sorununu sorunsuz bir şekilde aşabilecek bir toz ekleme ve toz çıkarma işlemi geliştirdi. 

Grafenin potansiyelini ortaya çıkarabilecek bu süreç, Haydale HDPlas olarak bilinmeye başlandı; bu yöntem, grafen ve diğer nanomateryallere gerekli mekanik mukavemeti ve gelişmiş elektriksel ve termal iletkenliği kazandırarak daha iyi hale getirebilecek kuru, temiz ve çevre açısından sağlıklı bir yöntem. 

Haydale, biyomedikal cihazlar için özelleştirilebilir grafen mürekkepleri, esnek elektronikler, ısıtma elemanları ve giyilebilir teknolojiler dahil olmak üzere birçok ilginç grafen bazlı çözüm geliştirdi. Aynı zamanda beyaz grafen olarak bilinen işlevselleştirilmiş bor nitrürün de sağlayıcısıdır. Bu sentetik seramik malzeme toksik değildir ve katı ve toz halinde bulunabilir. Özelliklerinden bazıları yalıtım, dayanıklılık, ağırlık ve elektrik iletkenliğini içerir. 

Haydale'in işlevselleştirilmiş grafen ve nanomateryal katkı maddeleri portföyü, elastomer ürün üretiminde de etkili olduğunu kanıtlıyor. Bunlar kauçuk bisiklet ve yol lastiklerinde, ayakkabı kauçuk tabanlarında, contalarda ve contalarda kullanılabilir. Haydale'in Silisyum Karbür grafen ürünleri, beton ürünleri korumak amacıyla seramik-polimer yüzey işlemlerinde kullanılıyor. 

Haydale, grafen kullanarak kullanışlı kompozitler, termoplastikler ve güneş enerjili kesme aletleri de geliştirdi. 

Yakın zamanda Haydale (AIM: HAYD) geçici sonuçlarını açıkladı. 31 Aralık 2023'te sona eren yıl (“23 MY”). Rapora göre Grup Gelirleri %38 artışla 2.47 milyon £'a (1.Yılın İlk Yarısı 23 milyon £) yükseldi.

# 2. iletkenlik birimi

Grafen folyolar için son derece gelişmiş bir başka kullanım durumu, görüldü Siemens'in siklotron binasında. A bir grup araştırmacı grafen folyoları kullandı 11 MeV Siemens Eclipse Cyclotron'da çıkarıcı (sıyırıcı) folyo olarak. 

Bu folyolar, karbonla karşılaştırıldığında olağanüstü yüksek termal iletkenlik ve önemli mekanik mukavemet sergiledi. Ömürleri 16,000 PA*H'den fazlaydı. Grafen folyoların kullanımı aynı zamanda iletim faktöründe (sıyırıcı folyo üzerindeki ışın akımının hedefteki akıma oranı) %90'dan fazla önemli bir artışa neden oldu. 

Deney, tek atom katmanlı grafen folyoların, genellikle sıyırıcı folyolar olarak kullanılan diğer karbon folyolarla nasıl verimli bir şekilde rekabet edebileceğini gösterdi. 

Siemens dünya çapında üst düzey, gelişmiş ve teknoloji yoğun ürünler üretmesiyle tanınmaktadır. Folyo formunda tek katmanlı atom malzemeleri kullanan böyle bir firma, kategorinin potansiyelini gösteriyor. 

2023 mali yılında, Siemens şu ana kadar gelir elde etti 19.66'de kaydedilen 17.39 milyar Avro'dan kayda değer bir artışla 2022 milyar Avro. 

Tek Atom Katmanlı Malzemeler Etrafında Daha Fazla Araştırma

Son araştırmalar gösterdi Goldene veya Graphene gibi malzemelerin yanı sıra Fosforen olarak da bilinen tek katmanlı Siyah Fosforun algılama uygulamalarında belirgin avantajlar sunduğunu görüyoruz. Bilim adamları ve araştırmacılar, bu benzersiz faydaları, malzemeye grafen ve geçiş metali dikalkojenitlerden (TMDC'ler) daha büyük bir yüzey-hacim oranına sahip olan Fosforenin "büzüşmüş" kafes yapısına bağlıyor. Fosforen, uygulamalarında çok yönlüdür ve kullanılabilir gaz algılama, nem algılama, foto algılama, biyolojik algılama ve iyon algılama dahil olmak üzere çeşitli algılama senaryolarında.

Fosforen ayrıca elektronik ve optoelektronik alanında da önemli umut vaat ediyor. Bilimsel yayınlar ortaya çıkardı doğası gereği anizotropik elektronik, taşıma, optoelektronik, termoelektrik ve mekanik özelliklerinin grafen ve geçiş metali dikalkogenitlerden önemli ölçüde farklı olduğu. Fosforenin üretim kolaylığı ve yeni özellikleri, yeni nanocihazların tasarımını ve gösterimini teşvik etmiştir. 

Başka bir çalışma birleştirmenin faydalarına dikkat çekti grafen ve fosforen. Bu kombinasyonun nasıl faydalı olabileceğini daha derinlemesine incelemek için, lityum iyon pillere alternatif olarak sodyum iyon pillerin karşılaştırmalı durumlarına bakıyoruz. Sodyum-iyon piller, lityum-iyon muadilleriyle karşılaştırılabilir performanslar sergilerken, zorluk, daha uygun anot malzemelerinin geliştirilmesinde yatmaktadır. Grafen-fosforen kombinasyonunun devreye girdiği yer burasıdır. 

Bilimsel bir deneyde araştırmacılar potansiyelini gösterdi. Grafen katmanları arasına sıkıştırılmış birkaç fosforen katmanından oluşan hibrit bir malzeme, 2,440 A g−1 akım yoğunluğunda ve %0.05 kapasite tutmada 1 mA h g−83 spesifik kapasite (yalnızca fosfor kütlesi kullanılarak hesaplanmıştır) gösterebilir. 100 ila 0 V arasında çalışırken 1.5 döngüden sonra. 

Araştırmacılar, geliştirdikleri anotun büyük kapasitesini açıklamak için yerinde transmisyon elektron mikroskobu ve ex-situ X-ışını kırınım tekniklerini kullandılar. Bunu, fosforen katmanlarının x ekseni boyunca araya giren sodyum iyonlarından oluşan ikili bir mekanizma ve ardından bir Na3P alaşımı oluşumu yoluyla geliştirdiler.

Başarılı bir şekilde yakalayan başka bir tek atom katmanlı malzeme bilimsel topluluğun hayal gücü Germanene'dir. Germanene'ye olan ilgi öncelikle optik özelliklerine yöneliktir. İlgili hesaplama, Germanene tabakasının güneş spektrumunda önemli bir ışık emilimine sahip olduğunu ve optik anizotropi gösterdiğini göstermiştir. 

Germanene benzersizdir çünkü sıfır bant aralığına ve K noktası etrafında doğrusal bant dağılımına sahip bir yarı iletkendir. Bant aralığı açılması ön gerilim varlığında meydana gelirken ön gerilim kuvvetinin artmasıyla doğrusal olarak artar. 

Bu nedenle, yalnızca altın değil, grafen, fosforen, germanen ve daha fazlasını içeren bir dizi tek atom katmanlı malzeme, gelecekteki keşifler için yeni bilimsel sınırlar açmak üzere. 

Bu malzemelerin özelliklerine odaklanmamızı sabit tutmalıyız. Ancak o zaman daha fazla uygulama keşfedebileceğiz. 2D katmansız malzemelerin yüksek yüzey aktivitesinin, onları karbondioksitin oksidasyonu ve suyun indirgenmesi gibi önemli reaksiyonlar için yararlı katalizörler haline getirdiğini unutmamalıyız. 

Bu malzemeler, yakıt hücreleri ve güneş pillerinin tasarlanmasına yardımcı olarak enerji depolama ve dönüştürme konusundaki değerlerini kanıtlamıştır. Optoelektronikte bunların özellikleri, yüksek kaliteli ışık yayan diyotların, lazerlerin ve sensörlerin üretilmesini sağlar. Topolojik yalıtım özellikleri aynı zamanda yüzeylerinde elektriği ileten ancak toplu olarak yalıtım sağlayan yalıtkanların yapılmasına da yardımcı olur.

Gelişmiş tek atom katmanlı malzemeler, toplamda çok sayıda fırsata açılan kapılardır. Gelecekte kesinlikle yaygın bir şekilde benimsendiğine tanık olacağız!

Nanoteknolojinin gelişimine öncülük eden beş şirketin listesi için tıklayın.