Forskare har utvecklat en metod för att skräddarsy tunna material – på atomnivå. Tekniken öppnar för nya nanomaterial till framtidens elektronik och kommunikation.
Intensiv forskning pågår om material som bara är ett eller ett par atomlager tunna. Det kallas ofta för tvådimensionella material.
Det mest kända exemplet är grafen – en upptäckt som fick Nobelpriset i fysik 2010. Tack vare att materialen är så tunna i förhållande till sin vikt eller volym kan de få oväntade egenskaper, som till exempel bra ledningsförmåga för elektricitet och värme eller extrem värmetålighet.
MXener med nya egenskaper
En typ av tvådimensionella material kallas MXener. De består av en metall i kombination med antingen kol- eller kväveatomer. Till skillnad från andra tvådimensionella material leder de metall.
Egenskaperna gör att de kan komma att användas i tekniska tillämpningar som batterier och superkondensatorer, luft- och vattenreningsfilter samt antenner för nästa generations kommunikation.
Upptäckten av grafen fick Nobelpriset i fysik
Materialet grafen är en form av kol – som är väldigt tunt och samtidigt oerhört starkt. Det är nästan helt genomskinligt, men så tätt att inte ens helium, den minsta gasatomen, kan ta sig igenom.
Grafen leder elektricitet lika bra som koppar. Det leder även värme mycket bättre än alla andra material. Med hjälp av grafen kan fysiker studera en ny klass av tvådimensionella material med unika egenskaper.
Källa: Kungliga Vetenskapsakademien
Kemisk sax skräddarsyr MXener
Nu har forskare vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i USA och Kina utvecklat en ny metod, där nya MXener kan utvecklas och skräddarsys på atomnivå med hjälp av en ”kemisk sax”.
– Atomerna blir som legobitar som går att flytta och byta som man vill i strukturen. Möjligheterna att utveckla nya material med spännande och oväntade egenskaper är nu vidöppna tack vare den kemiska saxen, säger Per Persson, professor vid Linköpings universitet.
En kemisk sax är en molekyl som är utformad för att reagera med specifika kemiska föreningar. På så sätt kan bindningarna i ett material brytas på exakt rätt ställe.
Tekniken för att bryta bindningar mellan kol och väte i organiska molekyler har funnits i över ett decennium. Men det forskarna nu visar i en studie är att saxen också kan bryta starka bindningar i tvådimensionella material som MXener.
Begränsningar i tidigare tillverkning
Det har även tidigare varit möjligt att tillverka materialet, men precisionen har varit begränsad. Genom att använda den ”kemiska saxen” redan på en så kallad MAX-struktur (se faktaruta nedan) kan helt nya MXener skapas.
– Nu kan vi utveckla tidigare otänkbara material med hög precision, där vi kan klippa isär strukturer och sy ihop dem igen som vi vill, samt styra deras egenskaper så att nya tillämpningar blir möjliga, säger Per Eklund, professor vid IFM.
Fakta om MAX-strukturer och MXener
För att skapa MXener utgår man från ett tredimensionellt grundmaterial som kallas för MAX-struktur. Det består av tre olika ämnen: M är en övergångsmetall, A är ett grundämne som aluminium eller kisel och X är kol eller kväve. Genom att ta bort A-delen med syror skapas ett tvådimensionellt material – MXener.
Tidigare har MXener varit begränsade av tillverkningsmetoden och antalet befintliga MAX-strukturer. Men genom att använda den ”kemiska saxen” redan på MAX-strukturen kan helt nya MXener skapas.
Studie:
Chemical scissor–mediated structural editing of layered transition metal carbides , Science.
Kontakt:
Per Persson, professor vid institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet, per.persson@liu.se
Per Eklund, professor vid institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet, per.eklund@liu.se
