Geen grafeen: onderzoekers ontdekken een nieuw type atomair dun koolstofmateriaal

Koolstof bestaat in verschillende vormen. Naast diamant en grafiet zijn er recentelijk ontdekte vormen met verbluffende eigenschappen. Grafeen bijvoorbeeld, met een dikte van slechts één atoomlaag, is het dunste bekende materiaal, en zijn ongebruikelijke eigenschappen maken het een buitengewoon opwindende kandidaat voor toepassingen zoals toekomstige elektronica en hightech engineering. In grafeen is elk koolstofatoom verbonden met drie buren, waardoor zeshoeken worden gevormd die in een honingraatnetwerk zijn gerangschikt. Theoretische studies hebben aangetoond dat koolstofatomen zich ook in andere vlakke netwerkpatronen kunnen ordenen, terwijl ze nog steeds aan drie buren binden, maar tot nu toe was geen van deze voorspelde netwerken gerealiseerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Marburg in Duitsland en de Aalto Universiteit in Finland hebben nu een nieuw koolstofnetwerk ontdekt, dat atomair dun is zoals grafeen, maar bestaat uit vierkanten, zeshoeken en achthoeken die een geordend rooster vormen. Ze bevestigden de unieke structuur van het netwerk met behulp van scanning-sondemicroscopie met hoge resolutie en ontdekten interessant genoeg dat de elektronische eigenschappen ervan sterk verschillen van die van grafeen.

In tegenstelling tot grafeen en andere vormen van koolstof, heeft het nieuwe bifenyleennetwerk – zoals het nieuwe materiaal wordt genoemd – metallische eigenschappen. Smalle strepen van het netwerk, slechts 21 atomen breed, gedragen zich al als een metaal, terwijl grafeen een halfgeleider is van deze grootte. “Deze strepen zouden kunnen worden gebruikt als geleidende draden in toekomstige op koolstof gebaseerde elektronische apparaten.” zei professor Michael Gottfried van de Universiteit van Marburg, die het team leidt dat het idee heeft ontwikkeld. De hoofdauteur van de studie, Qitang Fan uit Marburg, vervolgt: “Dit nieuwe koolstofnetwerk kan ook dienen als een superieur anodemateriaal in lithium-ionbatterijen, met een grotere lithiumopslagcapaciteit in vergelijking met die van de huidige op grafeen gebaseerde materialen. “

Het team van Aalto University hielp het materiaal in beeld te brengen en de eigenschappen ervan te ontcijferen. De groep van professor Peter Liljeroth voerde de hoge resolutie microscopie uit die de structuur van het materiaal liet zien, terwijl onderzoekers onder leiding van professor Adam Foster computersimulaties en analyses gebruikten om de opwindende elektrische eigenschappen van het materiaal te begrijpen.

Het nieuwe materiaal is gemaakt door koolstofhoudende moleculen te assembleren op een extreem glad gouden oppervlak. Deze moleculen vormen eerst ketens die bestaan ​​uit aan elkaar gekoppelde zeshoeken, en een daaropvolgende reactie verbindt deze ketens met elkaar om de vierkanten en achthoeken te vormen. Een belangrijk kenmerk van de kettingen is dat ze chiraal zijn, wat betekent dat ze in twee soorten spiegelend bestaan, zoals linker- en rechterhand. Alleen kettingen van hetzelfde type aggregeren op het gouden oppervlak en vormen goed geordende assemblages, voordat ze worden verbonden. Dit is cruciaal voor de vorming van het nieuwe koolstofmateriaal, omdat de reactie tussen twee verschillende soorten ketens alleen tot grafeen leidt. “Het nieuwe idee is om moleculaire voorlopers te gebruiken die zijn aangepast om bifenyleen te produceren in plaats van grafeen”, legt Linghao Yan uit, die de microscopie-experimenten met hoge resolutie uitvoerde aan de Aalto University.

Voorlopig werken de teams om grotere platen van het materiaal te produceren, zodat het toepassingspotentieel verder kan worden verkend. “We zijn er echter van overtuigd dat deze nieuwe synthesemethode zal leiden tot de ontdekking van andere nieuwe koolstofnetwerken.” zei professor Liljeroth.

De studie is gepubliceerd in Wetenschap.