Nieuwe methode maakt synthese van honderden nieuwe 2D-materialen mogelijk

Materialen die ongelooflijk dun zijn, slechts een paar atomen dik, vertonen unieke eigenschappen die ze aantrekkelijk maken voor energieopslag, katalyse en waterzuivering. Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, hebben nu een methode ontwikkeld die de synthese van honderden nieuwe 2D-materialen mogelijk maakt. Hun studie is geweest gepubliceerd in het journaal Wetenschap.

Sinds de ontdekking van grafeen is het onderzoeksveld naar extreem dunne materialen, zogenaamde 2D-materialen, exponentieel toegenomen. De reden is dat 2D-materialen een groot oppervlak hebben in verhouding tot hun volume of gewicht. Dit geeft aanleiding tot een reeks fysische verschijnselen en onderscheidende eigenschappen, zoals goede geleidbaarheid, hoge sterkte of hittebestendigheid, waardoor 2D-materialen zowel binnen fundamenteel onderzoek als binnen toepassingen interessant zijn.

“In een film die maar een millimeter dun is, kunnen er miljoenen lagen van het materiaal zitten. Tussen de lagen kunnen veel chemische reacties plaatsvinden en dankzij dit kunnen 2D-materialen worden gebruikt voor energieopslag of voor het opwekken van brandstoffen, voor bijvoorbeeld”, zegt Johanna Rosén, hoogleraar materiaalfysica aan de Universiteit van Linköping.

De grootste familie van 2D-materialen heet MXenes. MXenen worden gemaakt van een driedimensionaal oudermateriaal dat een MAX-fase wordt genoemd. Het bestaat uit drie verschillende elementen: M is een overgangsmetaal, A is een (A-groep) element en X is koolstof of stikstof. Door het A-element met zuren te verwijderen (exfoliatie) ontstaat er een tweedimensionaal materiaal. Tot nu toe was MXenes de enige materiaalfamilie die op deze manier werd gecreëerd.

De Linköping-onderzoekers hebben een theoretische methode geïntroduceerd voor het voorspellen van andere driedimensionale materialen die mogelijk geschikt zijn voor conversie naar 2D-materialen. Ze hebben ook bewezen dat het theoretische model consistent is met de werkelijkheid.

Om te slagen, gebruikten de onderzoekers een proces in drie stappen. In de eerste stap ontwikkelden ze een theoretisch model om te voorspellen welke oudermaterialen geschikt zouden zijn. Met behulp van grootschalige berekeningen bij het National Supercomputer Center konden de onderzoekers 119 veelbelovende 3D-materialen identificeren uit een database en een selectie bestaande uit 66.643 materialen.

De volgende stap was om te proberen het materiaal in het laboratorium te creëren.

“Van de 119 mogelijke materialen hebben we onderzocht welke de vereiste chemische stabiliteit hadden en welke materialen de beste kandidaten waren. Eerst moesten we het 3D-materiaal synthetiseren, wat op zichzelf al een uitdaging was. Ten slotte hadden we een monster van hoge kwaliteit. waar we specifieke atoomlagen konden exfoliëren en wegetsen met behulp van waterstoffluoride”, zegt Jie Zhou, assistent-professor bij de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en Biologie.

De onderzoekers verwijderden yttrium (Y) uit het moedermateriaal YRu₂Si₂wat resulteerde in de vorming van tweedimensionale Ru₂Si_XO_j.

Maar om succes in het laboratorium te bevestigen is verificatie noodzakelijk: stap drie. De onderzoekers gebruikten de scanning-transmissie-elektronenmicroscoop Arwen van de Universiteit van Linköping. Het kan materialen en hun structuren tot op atomair niveau onderzoeken. Bij Arwen is het ook mogelijk om met spectroscopie te onderzoeken uit welke atomen een materiaal is opgebouwd.

“We konden bevestigen dat ons theoretische model goed werkte en dat het resulterende materiaal uit de juiste atomen bestond. Na exfoliatie leken de afbeeldingen van het materiaal op de pagina’s van een boek. Het is verbazingwekkend dat de theorie in de praktijk kon worden gebracht, waardoor het concept van chemische exfoliatie uitbreiden naar meer materiaalfamilies dan MXenes”, zegt Jonas Björk, universitair hoofddocent bij de afdeling Materials design.

Door de ontdekking van de onderzoekers komen er nog veel meer 2D-materialen met unieke eigenschappen binnen handbereik. Deze kunnen op hun beurt de basis leggen voor een overvloed aan technologische toepassingen. De volgende stap voor de onderzoekers is het verkennen van meer potentiële precursormaterialen en het opschalen van de experimenten. Rosén gelooft dat toekomstige toepassingen vrijwel eindeloos zijn.

“Over het algemeen hebben 2D-materialen een groot potentieel laten zien voor een enorm aantal toepassingen. Je kunt je bijvoorbeeld voorstellen dat je kooldioxide afvangt of water zuivert. Nu gaat het erom de synthese op te schalen en op een duurzame manier te doen”, zegt Rosén.