Superkräfte ultradünner Materialien: In der Materialwissenschaft ist 2D das neue 3D

Eine Vakuumkammer, in der Röntgenspektroskopie die Eigenschaften von Materialien misst - winzige Quadrate in verschiedenen Farben, die auf einem Kupferhalter montiert sind.

In den letzten Jahren haben mit dem Internet verbundene Geräte viele neue Grenzen erreicht - an Handgelenken, Kühlschränken, Türklingeln und Autos. Einige Forscher glauben jedoch, dass das „Internet der Dinge“ noch nicht sehr entwickelt ist.

"Was wäre, wenn wir Elektronik überall einbetten könnten", sagte Thomas Palacios, Elektrotechniker am Massachusetts Institute of Technology, kürzlich. - Was wäre, wenn wir Energie von in die Autobahn eingebauten Sonnenkollektoren erhalten könnten und Wägezellen in Tunnel und Brücken eingebaut werden könnten, um den Zustand von Beton zu überwachen? Was wäre, wenn wir nach draußen schauen und die Wettervorhersage auf dem Glas sehen könnten? Oder Elektronik, die die menschliche Gesundheit erfasst, in eine Jacke einbetten? “

Im Januar 2019 veröffentlichten Palacios und Kollegen in der Zeitschrift Nature JobsBeschreibung der Erfindung, die diese Zukunft ein wenig näher bringen kann: eine Antenne, die Wi-Fi, Bluetooth und Mobiltelefone immer mehr absorbieren und effektiv in nutzbaren Strom umwandeln kann.

Der Schlüssel zu dieser Technologie ist ein vielversprechendes Material: Molybdänsulfid , MoS ₂ , in einer flachen Schicht mit einer Dicke von nur drei Atomen. In der Ingenieurwelt ist es fast unmöglich, etwas Dünneres zu tun.

Und eine so geringe Dicke ist eine nützliche Sache. Mit MoS _{2 können} Sie beispielsweise die Oberfläche des Tisches abdecken und daraus ein Laptop-Ladegerät machen, für das keine Kabel erforderlich sind.

Aus Sicht der Forscher werden zweidimensionale Materialien zur Säule des „Internet von allem“. Sie "streichen" die Brücken und machen sie zu Sensoren, die die Last und Risse überwachen. Sie werden den Fenstern mit einer transparenten Ebene auferlegt, die erst sichtbar wird, wenn die Informationen angezeigt werden. Und wenn es dem Team gelingt, ein Gerät zur Absorption von Radiowellen zu entwickeln, kann es diese allgegenwärtige Elektronik mit Strom versorgen. Die Zukunft sieht immer flacher aus.

"Das Interesse an diesem Thema wächst exponentiell", sagte Jeff Urban, ein zweidimensionaler Materialforscher an der Molecular Factory im Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. "Du kannst nichts anderes sagen."


Thomas Palacios glaubt, dass die Zukunft der Elektronik in flachen Oberflächen liegt


MIT-Ingenieure haben winzige elektronische Schaltkreise aus Graphen hergestellt, einem zweidimensionalen Kohlenstoff-


Palacios -Typ mit einer Blase, die mehrere tausend mikroelektronische Graphen-Schaltkreise enthält.


Yuxuan Lin, ein Forscher aus dem Palacios-Labor, bereitet Geräte für die Arbeit mit zweidimensionalen Schaltkreisen vor

Flache Designs öffnen alle Türen

Die Mode für die zweidimensionale Chemie begann im Jahr 2004, als zwei Forscher des Manchester Institute mit Klebeband ein Kohlenstoffatom von einem Graphit in einen einatomigen Film abzogen, um Graphen herzustellen. Graphen ist in seiner Zusammensetzung identisch mit Graphit und Diamant, aber seine geringe Dicke verleiht ihm ganz besondere Eigenschaften: Es ist flexibel, transparent, extrem stark und leitet Elektrizität und Elektrizität außergewöhnlich gut.

Die Forscher begannen sofort damit, alle möglichen neuen und verbesserten Geräte herzustellen. Mehrere Unternehmen haben bereits Kopfhörer herausgebracht, bei denen das Diaphragma - eine vibrierende Membran, die Schall in Audiogeräten wiedergibt - aus Graphen besteht. Einige Farbenhersteller fügen ihren Formeln Graphen hinzu, um die Beschichtung länger zu halten. Im Oktober stellte Huawei das große und leistungsstarke Mate 20 X-Telefon vor, das Graphen zur Kühlung des Prozessors verwendet. Samsung hat Graphen verwendet, um einen Akku mit beschleunigtem Ladevorgang zu entwickeln, der möglicherweise in naher Zukunft auf Handys erscheint.

Urban arbeitet mit zweidimensionalen Materialien, um die Eigenschaften von Brennstoffzellen zu verbessern, eine der Optionen für "sauberen" Brennstoff für "umweltfreundlichen" Transport. Die meisten Brennstoffzellen erzeugen Strom aus Wasserstoff, aber selbst bei hohem Druck nimmt Wasserstoff um ein Vielfaches mehr Platz ein als Benzin, dessen Energiegehalt vergleichbar ist, weshalb es unpraktisch wird, Wasserstoff in Autos zu verwenden.

Stattdessen führt Urban Wasserstoffatome in feste Materialien ein, deren Dichte um ein Vielfaches höher ist als die Dichte von Gasen. Im März kündigten er und seine Kollegen die Schaffung einer neuen Art der Lagerung an: winzige Magnesiumkristalle, eingewickelt in schmale Streifen von sogenannten Graphen-Nanobänder. Sie fanden heraus, dass der auf diese Weise gespeicherte Wasserstoff fast so viel Energie produziert wie Benzin mit ähnlichem Volumen und viel weniger wiegt.

Urban verglich diesen Prozess mit dem Backen von Keksen mit Schokoladenstückchen, deren Rolle Magnesium ist, das Wasserstoff enthält. "Wir brauchen Kekse, die so viele Schokoladenstückchen wie möglich enthalten", sagte er, und Graphen-Nanobänder sind ein ausgezeichneter Keksteig. Nanobänder helfen Wasserstoff auch dabei, schnell in Magnesiumkristalle einzutreten und aus diesen auszutreten, halten Sauerstoff draußen und bekämpfen Wasserstoff um einen Platz innerhalb der Kristalle.

Urban untersucht die Welt der ultradünnen Materialien im Advanced Light Source-Labor unter einer Kuppel, die einen Panoramablick auf die Stadt San Francisco und die Bucht bietet. Hier erzeugen die Elektronen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit verteilt sind, starke Röntgenstrahlen, mit denen die Atomstruktur von Materialien fein erfasst werden kann.

Bei ALS haben Urban und seine Kollegen genau herausgefunden, wie sich Graphen um Magnesium wickelt und daran bindet. Diese Verbindung der beiden Materialien garantiert die Stabilität des Verbundmaterials über lange Zeiträume - dies ist eine wichtige Eigenschaft für die Verwendung der Verbindung unter realen Bedingungen.


Advanced Light Source Lab


Jeff Urban, zweidimensionaler Materialforscher, in der Molecular Factory des Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien


Experimentelle Brennstoffzellen helfen bei der Messung der Eigenschaften ultrafeiner Materialien unter verschiedenen Bedingungen (wenn sie Gas, Flüssigkeiten, Sonnenlicht oder Chemikalien ausgesetzt sind) mithilfe von Röntgenspektroskopie unter Verwendung weicher Röntgenstrahlung. Der Strahlungsspezialist


Yi-Sheng Liu, eines der Mitglieder des Urban-Teams, verwendet einen Controller, um Festlegen der

Position der Materialprobe, an der Röntgenstrahlen bestrahlt werden sollen Andere Forscher ultradünne Schichten aus gefaltetem Material im Stapel, um dreidimensionale Blöcke zu erhalten, deren Eigenschaften Ichayutsya aus zweidimensionalen und dreidimensionalen aus herkömmlichen Materialien.

Kwabena Bedyako, Chemikerin an der University of California in Berkeley, veröffentlichte im vergangenen Jahr eine Studie in der Zeitschrift Nature, in der sie beschrieb, wie sie und ihre Kollegen Lithiumionen zwischen mehreren Schichten zweidimensionaler Materialien, einschließlich Graphen, platzierten.

"Wir begannen mit einem Stück Brot, verteilten es mit Mayonnaise, legten es auf Käse und dann auf Schinken", sagte sie. "Sie können so oft wiederholen, wie Sie möchten, und Sie bekommen ein Sandwich."

Durch das Wechseln der Stapelschichten konnten die Forscher den Speicherprozess von Lithium optimieren, was zur Schaffung neuer Hochleistungsbatterien für elektronische Geräte führen kann.

Xining Zang, Ph.D. in Materialwissenschaften am MIT, entdeckte kürzlich einen überraschend einfachen Weg, zweidimensionale Materialien mit Gelatine übereinander zu legen, einem Produkt, das Marmelade und Marshmallows ihre Struktur verleiht. Er und seine Kollegen kombinierten Gelatine, Metallionen und Wasser. Gelatine bildete eine Mehrschichtstruktur (wie dies normalerweise bei der Bildung von Gelee der Fall ist), die Metallionen eine Schichtstruktur verlieh. Ein Teil des Kohlenstoffs in der Gelatine reagierte mit dem Metall und erzeugte zweidimensionale Metallcarbidblätter; Sie fungierten als Katalysatoren und trugen dazu bei, Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen - und dieser Prozess kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung eingesetzt werden.

"Ich kann nicht sagen, dass die Technologie grob war, denn wenn man darüber nachdenkt, hat sie sich als ziemlich elegant herausgestellt", sagte Nate Hochman, der zuvor in der Molecular Factory gearbeitet hatte, und einer der Autoren der Arbeit. "Alles kam an der Schnittstelle von High- und Low-Technologien heraus."

Materialien dünner machen

Wenn zweidimensionale Materialien gedeihen, dann in Singapur, im Labor von Liu Zheng an der Technischen Universität Nanyang. Singapur versucht, eine "Gartenstadt" zu werden, und dieses winzige Land füllt sein Territorium aktiv mit viel Grün - einschließlich der Universität, an der in allen Ecken seiner modernen Gebäude Gärten angelegt sind.

Zheng betrachtet seine Forschung als eine Variation der Methode des Pflanzenanbaus. "Ich bin ein Gärtner", sagte er. - Ich habe einen zweidimensionalen Garten mit verschiedenen Farben. Und sie sind alle schön. "

Im vergangenen Jahr haben Zheng und Kollegen ihren Garten erheblich erweitert und Dutzende neuer zweidimensionaler Materialien aus einer Klasse von Verbundwerkstoffen hergestellt, die als Übergangsmetallchalkogenide bezeichnet werden(Übergangsmetallchalkogenide, TMC). Eine wichtige Entdeckung war die Verwendung von Speisesalz zur Senkung des Schmelzpunktes von Metallen; Dadurch wurde es möglich, das Metall so zu verdampfen, dass es sich in Form dünner Filme ablagerte.


Im Labor von Liu Zheng an der Nanyang Technological University werden Schichten aus zweidimensionalen Materialien auf Siliziumsubstraten platziert und in Behältern gelagert.


Nanyang Technological University in Singapur.


Im Labor von Zheng wird chemischer Dampf durch zweidimensionale Schichten auf Siliziumsubstraten in Quarzrohren abgelagert.


Instrumente zur sorgfältigen Kontrolle und Überwachung des Gasflusses in die Quarzrohre Röhren

"Einmal sagte mir mein Schüler: Ich kann TMC mit Salz machen", sagte Zheng. - Ich war überrascht. Es ist seit vielen Jahren mein Traum. “

Eines der Regale in Zhengs ausgestopftem Labor ist mit transparenten luftdichten Behältern vollgestopft. Dort werden Siliziumsubstrate mit Ablagerungen zweidimensionaler Materialien gelagert. Oft bilden die Filme entsprechend der geometrischen Struktur der Materialkristalle ein sichtbares Dreieck oder Sechseck.

Nach dem Platzieren der Filme zieht Zhengs Team in ein nahe gelegenes Labor, um die resultierenden Strukturen sorgfältig zu untersuchen. Der größte Teil des Raumes ist mit einem vier Meter langen Transmissionselektronenmikroskop und einem Gewicht von eineinhalb Tonnen belegt - ein riesiges Gerät zur Betrachtung einzelner Atome.

Viele TMCs, einschließlich MoS ₂Palacios, die Radiowellen absorbieren, sind möglicherweise in verschiedenen industriellen Anwendungen anwendbar. Das zweidimensionale Platinselenid aus dem Labor in Singapur kann dazu dienen, billigere Brennstoffzellen herzustellen, die normalerweise Platin verwenden, das das Proton des Wasserstoffatoms vom Elektron trennt. Die Umstellung auf zweidimensionales Platin-Selenid könnte die Menge an verwendetem Platin um 99% reduzieren, sagte Zheng. Die Technische Universität Nanyang diskutiert bereits mit Herstellern über die Kommerzialisierung von Technologien. Bisher ist die Zukunft noch nicht vollständig zweidimensional, aber sie ist bereits nahe daran.

"Ich sehe das enorme kommerzielle Potenzial dieses Materials", sagte Zheng. "Wir können den Markt ernsthaft beeinflussen."


Flexibles thermoelektrisches Gerät von Urban aus zweidimensionalen Kohlenstoffnanoblättern. Thermoelektrische Geräte entziehen der Umwelt Energie und wandeln sie in nutzbare elektrische Energie um.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/