Onderzoekers ontdekken tweedimensionaal materiaal met behulp van hogedruktechnologie

Een internationaal team met onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth is er voor het eerst in geslaagd een voorheen onbekend tweedimensionaal materiaal te ontdekken met behulp van moderne hogedruktechnologie. Het nieuwe materiaal, beryllonitreen, bestaat uit regelmatig gerangschikte stikstof- en berylliumatomen. Het heeft een ongebruikelijke elektronische roosterstructuur die een groot potentieel biedt voor toepassingen in de kwantumtechnologie. De synthese ervan vereiste een compressiedruk die ongeveer een miljoen keer hoger is dan de druk van de atmosfeer van de aarde. De wetenschappers hebben hun ontdekking in het tijdschrift gepresenteerd Fysieke beoordelingsbrieven.

Sinds de ontdekking van grafeen, dat is gemaakt van koolstofatomen, is de belangstelling voor tweedimensionale materialen gestaag gegroeid in onderzoek en industrie. Onder extreem hoge drukken tot 100 gigapascal hebben onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth, samen met internationale partners, nu nieuwe verbindingen geproduceerd die zijn samengesteld uit stikstof- en berylliumatomen. Dit zijn berylliumpolynitriden, waarvan sommige voldoen aan het monokliene, andere aan het trikliene kristalsysteem. De trikliene berylliumpolynitriden vertonen een ongebruikelijk kenmerk wanneer de druk daalt. Ze krijgen een kristalstructuur die uit lagen is opgebouwd. Elke laag bevat zigzag stikstofketens verbonden door berylliumatomen. Het kan daarom worden omschreven als een vlakke structuur bestaande uit BeN₄-vijfhoeken en Be₂N₄-zeshoeken. Elke laag vertegenwoordigt dus een tweedimensionaal materiaal, beryllonitreen.

Kwalitatief is beryllonitreen een nieuw 2D-materiaal. In tegenstelling tot grafeen resulteert de tweedimensionale kristalstructuur van beryllonitreen in een licht vervormd elektronisch rooster. Vanwege de resulterende elektronische eigenschappen zou beryllonitreen uitstekend geschikt zijn voor toepassingen in de kwantumtechnologie als het ooit op industriële schaal zou kunnen worden geproduceerd. In dit nog jonge veld van onderzoek en ontwikkeling is het doel om de kwantummechanische eigenschappen en structuren van materie te gebruiken voor technische innovaties – bijvoorbeeld voor de constructie van krachtige computers of voor nieuwe coderingstechnieken met als doel veilige communicatie.

“Voor het eerst is het nu door nauwe internationale samenwerking in hogedrukonderzoek gelukt om een ​​chemische verbinding te produceren die voorheen volledig onbekend was. Deze verbinding zou kunnen dienen als voorloper voor een 2D-materiaal met unieke elektronische eigenschappen. De fascinerende prestatie was slechts mogelijk met behulp van een door het laboratorium gegenereerde compressiedruk die bijna een miljoen keer groter is dan de druk van de atmosfeer van de aarde. Onze studie bewijst dus eens te meer het buitengewone potentieel van hogedrukonderzoek in de materiaalkunde ”, zegt co-auteur prof. dr. Natalia Dubrovinskaia van het Laboratorium voor Kristallografie aan de Universiteit van Bayreuth.

“Er is echter geen mogelijkheid om een ​​proces te bedenken voor de productie van beryllonitreen op industriële schaal, zolang hiervoor extreem hoge drukken nodig zijn, zoals die alleen in het onderzoekslaboratorium kunnen worden gegenereerd. de nieuwe verbinding is ontstaan ​​tijdens decompressie en kan bestaan ​​onder omgevingsomstandigheden. In principe kunnen we niet uitsluiten dat het ooit mogelijk zal zijn om beryllonitreen of een soortgelijk 2D-materiaal te reproduceren met technisch minder complexe processen en industrieel te gebruiken. studie hebben we nieuwe perspectieven geopend voor hogedrukonderzoek bij de ontwikkeling van technologisch veelbelovende 2D-materialen die grafeen kunnen overtreffen ”, zegt de corresponderende auteur Prof.Dr.Leonid Dubrovinsky van het Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry & Geophysics aan de University of Bayreuth.