Kekuatan super bahan ultra-tipis: dalam ilmu material, 2D adalah 3D baru

Sebuah ruang hampa udara, tempat spektroskopi sinar-X mengukur sifat-sifat bahan - kotak kecil dengan warna berbeda yang dipasang pada dudukan tembaga.

Dalam beberapa tahun terakhir, perangkat yang terhubung ke Internet telah mencapai banyak perbatasan baru - pada pergelangan tangan, lemari es, bel pintu dan mobil. Namun, beberapa peneliti percaya bahwa "Internet of things" belum sangat berkembang.

"Bagaimana jika kita dapat menanamkan elektronik di mana saja," kata Thomas Palacios, seorang insinyur listrik di Massachusetts Institute of Technology, baru-baru ini. - Bagaimana jika kita dapat menerima energi dari panel surya yang dibangun di jalan raya, dan memuat sel dapat dibangun ke dalam terowongan dan jembatan untuk memantau kondisi beton? Bagaimana jika kita bisa melihat ke luar dan melihat ramalan cuaca di atas kaca? Atau menanamkan elektronik yang melacak kesehatan manusia di jaket? "

Pada Januari 2019, Palacios dan rekannya menerbitkannya di jurnal Nature jobsmenggambarkan penemuan ini, mampu membawa masa depan ini sedikit lebih dekat: antena yang dapat menyerap Wi-Fi, Bluetooth dan ponsel darinya semakin banyak, dan secara efektif mengubahnya menjadi listrik yang dapat digunakan.

Kunci dari teknologi ini adalah bahan yang menjanjikan: molybdenum sulfide , MoS ₂ , diletakkan di lapisan datar dengan ketebalan hanya tiga atom. Di dunia teknik, hampir tidak mungkin melakukan sesuatu yang lebih tipis.

Dan ketebalan sekecil itu adalah hal yang bermanfaat. Misalnya, dengan MoS _2, Anda dapat menutupi permukaan meja, mengubahnya menjadi pengisi daya laptop yang tidak memerlukan kabel.

Dari sudut pandang peneliti, materi dua dimensi akan menjadi pilar "Internet of everything". Mereka akan "mengecat" jembatan dan membuat mereka sensor yang memantau beban dan retakan. Mereka akan dikenakan pada jendela dengan lapisan transparan, yang akan menjadi terlihat hanya ketika informasi ditampilkan. Dan jika tim berhasil menciptakan perangkat untuk menyerap gelombang radio, itu akan dapat memberi daya elektronik ini di mana-mana. Masa depan terlihat semakin datar.

"Minat pada topik ini tumbuh secara eksponensial," kata Jeff Urban, seorang peneliti materi dua dimensi di Molecular Factory di Lawrence Berkeley National Laboratory di California. "Kamu tidak bisa mengatakan sebaliknya."


Thomas Palacios percaya bahwa masa depan elektronik terletak pada permukaan yang rata


Insinyur MIT menciptakan sirkuit elektronik kecil dari graphene, sejenis karbon


Palacios dua dimensi dengan gelembung yang mengandung beberapa ribu sirkuit graphene mikroelektronik


Yuxuan Lin, seorang peneliti dari laboratorium Palacios, sedang mempersiapkan peralatan untuk bekerja dengan sirkuit dua dimensi

Desain datar membuka semua pintu

Mode kimia dua dimensi dimulai pada tahun 2004, ketika dua peneliti dari Manchester Institute menggunakan lakban untuk mengupas film karbon atom tunggal dari potongan-potongan grafit, sehingga menghasilkan graphene. Graphene identik dalam komposisi untuk grafit dan berlian, tetapi ketebalannya yang kecil memberikan sifat yang sangat istimewa: ia fleksibel, transparan, sangat kuat dan menghantarkan listrik dan listrik dengan sangat baik.

Para peneliti segera mulai membuat segala macam gadget baru dan lebih baik dengan itu. Beberapa perusahaan telah merilis headphone, di mana diafragma - membran bergetar yang mereproduksi suara dalam perangkat audio - terdiri dari graphene. Beberapa produsen cat menambahkan graphene ke formula mereka untuk menjaga lapisan lebih lama. Pada bulan Oktober, Huawei memperkenalkan ponsel Mate 20 X yang besar dan kuat, yang menggunakan graphene untuk mendinginkan prosesor. Samsung menggunakan graphene untuk mengembangkan baterai dengan pengisian yang dipercepat, dan mungkin akan muncul di ponsel dalam waktu dekat.

Urban bekerja dengan bahan dua dimensi untuk meningkatkan sifat sel bahan bakar, salah satu opsi untuk bahan bakar "bersih" untuk transportasi "ramah lingkungan". Sebagian besar sel bahan bakar menghasilkan listrik dari hidrogen, tetapi bahkan pada tekanan tinggi, hidrogen membutuhkan ruang beberapa kali lebih banyak daripada bensin yang sebanding dengan kandungan energi, sebagai akibatnya menjadi tidak praktis untuk menggunakan hidrogen dalam mobil.

Sebagai gantinya, Urban memperkenalkan atom hidrogen ke dalam material padat yang densitasnya jauh lebih besar daripada densitas gas. Pada bulan Maret, ia dan rekan-rekannya mengumumkan penciptaan jenis penyimpanan baru: kristal magnesium kecil yang dibungkus dengan strip tipis yang disebut nanoribbon graphene. Mereka menemukan bahwa hidrogen yang disimpan dengan cara ini menghasilkan energi yang hampir sama dengan bensin dengan volume yang sama, dan beratnya jauh lebih sedikit.

Urban membandingkan proses ini dengan memanggang kue dengan chip cokelat, yang perannya adalah magnesium yang menahan hidrogen. "Kami membutuhkan cookie yang mengandung sebanyak mungkin keping cokelat," katanya, dan graphene nanoribbons membuat adonan kue yang luar biasa. Nanoribbons juga membantu hidrogen dengan cepat masuk dan keluar dari kristal magnesium, menahan oksigen di luar, melawan hidrogen untuk tempat di dalam kristal.

Urban melihat ke dunia bahan ultra-tipis di laboratorium Advanced Light Source, yang terletak di bawah kubah, yang menawarkan pemandangan kota San Francisco dan teluk yang indah. Di sini elektron, tersebar hampir dengan kecepatan cahaya, menghasilkan sinar-X yang kuat yang dapat digunakan untuk penginderaan halus dari struktur atom bahan.

Di ALS, Urban dan rekan-rekannya menemukan persis bagaimana graphene membungkus magnesium dan menempel padanya. Sambungan kedua bahan ini menjamin stabilitas bahan komposit dalam jangka waktu yang lama - ini adalah sifat penting untuk menggunakan senyawa dalam kondisi nyata.


Laboratorium Sumber Cahaya Tingkat Lanjut


Jeff Urban, peneliti bahan dua dimensi, di Pabrik Molekuler di Lawrence Berkeley National Laboratory di California


Sel bahan bakar eksperimental membantu mengukur sifat-sifat bahan ultrafine dalam berbagai kondisi (ketika terpapar gas, cairan, sinar matahari, atau bahan kimia) menggunakan spektroskopi sinar-X menggunakan radiasi sinar-X lembut.


Spesialis Radiasi Yi-Sheng Liu, salah satu anggota tim Urban, menggunakan pengontrol untuk mengatur lokasi sampel bahan yang akan diradiasi sinar-X

. Peneliti lain menggunakan lapisan bahan terlipat dalam tumpukan untuk mendapatkan balok tiga dimensi, yang sifatnya ichayutsya dari dua dimensi dan tiga dimensi dari bahan konvensional.

Kwabena Bedyako, seorang ahli kimia di University of California di Berkeley, menerbitkan sebuah penelitian tahun lalu di jurnal Nature, menggambarkan bagaimana ia dan rekannya menempatkan ion lithium di antara beberapa lapisan bahan dua dimensi, termasuk graphene.

"Kami mulai dengan sepotong roti, menyebar dengan mayones, menaruhnya di atas keju, dan kemudian pada ham," katanya. "Kamu bisa mengulang sebanyak yang kamu mau, dan kamu mendapatkan sandwich."

Dengan mengubah lapisan tumpukan, para peneliti dapat menyempurnakan proses penyimpanan lithium, dan ini dapat mengarah pada penciptaan baterai berkapasitas tinggi baru untuk perangkat elektronik.

Xining Zang, Ph.D dalam ilmu material dari MIT, baru-baru ini menemukan cara yang mengejutkan sederhana untuk meletakkan bahan dua dimensi di atas satu sama lain menggunakan gelatin, produk yang memberi marmalade dan marshmallow struktur mereka. Dia dan koleganya menggabungkan gelatin, ion logam, dan air. Gelatin membentuk struktur multilayer (seperti biasanya terjadi dengan pembentukan jeli), yang memberikan struktur berlapis pada ion logam. Sebagian karbon dalam gelatin bereaksi dengan logam, menghasilkan daun logam karbida dua dimensi; mereka bertindak sebagai katalis, membantu memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen - dan proses ini dapat digunakan dalam sel bahan bakar untuk menghasilkan listrik.

"Saya tidak bisa mengatakan bahwa teknologi itu kasar, karena jika Anda memikirkannya, itu ternyata sangat elegan," kata Nate Hochman, yang sebelumnya bekerja di Molecular Factory, dan salah satu penulis karya tersebut. "Semuanya keluar di persimpangan teknologi tinggi dan rendah."

Membuat bahan lebih tipis

Jika bahan dua dimensi berkembang, itu di Singapura, di laboratorium Liu Zheng, di Nanyang University of Technology. Singapura berusaha menjadi "kota taman", dan negara mungil ini secara aktif mengisi wilayahnya dengan tanaman hijau - termasuk universitas, tempat taman ditanam di semua sudut bangunan modernnya.

Zheng menganggap penelitiannya sebagai variasi metode penanaman tanaman. "Aku tukang kebun," katanya. - Saya punya taman dua dimensi dengan berbagai warna. Dan mereka semua cantik. "

Tahun lalu, Zheng dan rekannya memperluas kebun mereka secara signifikan, menciptakan lusinan material dua dimensi baru dari kelas material komposit yang disebut transisi logam chalcogenides(transisi logam chalcogenides, TMC). Penemuan utama adalah penggunaan garam meja untuk menurunkan titik lebur logam; sebagai hasilnya, menjadi mungkin untuk menguapkan logam sehingga disimpan dalam bentuk film tipis.


Di laboratorium Liu Zheng di Nanyang Technological University, lapisan bahan dua dimensi ditempatkan pada substrat silikon dan disimpan dalam wadah.


Nanyang Technological University di Singapura.


Di laboratorium Zheng, uap kimia disimpan oleh lapisan dua dimensi pada substrat silikon dalam tabung kuarsa.


Instrumen untuk kontrol yang cermat dan pemantauan aliran gas ke tabung kuarsa tabung

"Suatu kali murid saya mengatakan kepada saya: Saya bisa melakukan TMC dengan garam," kata Zheng. - Saya terkejut. Itu adalah impian saya selama bertahun-tahun. ”

Salah satu rak di lab boneka Zheng dijejali wadah kedap udara transparan; substrat silikon dengan endapan bahan dua dimensi disimpan di sana. Seringkali film membentuk segitiga atau segi enam yang terlihat, sesuai dengan struktur geometris kristal material.

Setelah menempatkan film, tim Zheng pindah ke laboratorium terdekat untuk mempelajari dengan cermat struktur yang dihasilkan. Sebagian besar ruangan ditempati oleh mikroskop elektron transmisi empat meter dan berat satu setengah ton - alat besar untuk melihat atom individu.

Banyak TMC, termasuk MoS ₂Palacios, yang menyerap gelombang radio, berpotensi berlaku di berbagai aplikasi industri. Selenide dua dimensi platina dari laboratorium Singapura dapat berfungsi untuk menghasilkan sel bahan bakar yang lebih murah, yang biasanya menggunakan platinum, yang memisahkan proton atom hidrogen dari elektron. Beralih ke platinum selenide dua dimensi dapat mengurangi jumlah platinum yang digunakan oleh 99%, kata Zheng. Nanyang University of Technology sudah membahas komersialisasi teknologi dengan produsen. Sejauh ini, masa depan belum sepenuhnya dua dimensi, tetapi sudah dekat dengan ini.

"Saya melihat potensi komersial yang sangat besar dari bahan ini," kata Zheng. "Kami benar-benar dapat mempengaruhi pasar."


Perangkat termoelektrik fleksibel Urban dari lembar nano karbon dua dimensi. Perangkat termoelektrik mengambil energi dari lingkungan dan mengubahnya menjadi energi listrik yang dapat digunakan.

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