Jakten på nya tvådimensionella material har ökat i snabb takt sen upptäckten av grafen – ett supermaterial med bland annat hög ledningsförmåga och hållfasthet som gör det otroligt mångsidigt. För att skapa ultratunna material finns i huvudsak två tillvägagångssätt. I den ena metoden ”skalas” ett sammanhängande lager av molekyler eller atomer av från en större massa. Just grafen är ett exempel på den metoden.
I den andra metoden byggs istället materialet molekyl för molekyl genom att på olika sätt skapa bindningar mellan molekylerna.Illustration av fotopolymeriseringsprocessen. Foto Jonas Björk
Den faktiska polymeriseringen av fantrip som det ser ut i sveptunnelmikroskop. Där linjerna är tunnare har materialet fixerats. Foto Markus LackingerProblemet med den metoden är att materialen ofta blir små, sköra och innehåller många defekter vilket begränsar potentiella tillämpningsområden.
Nu har ett internationellt forskarlag med forskare från bland annat Linköpings universitet, Deutsches Museum och det tekniska universitetet i München utvecklat en ny metod för att skapa tvådimensionella polymerer. Upptäckten möjliggör utvecklingen av nya ultratunna funktionella material.
Självorganiserande molekyler
Tillverkningen, eller polymeriseringen, av materialet sker i två steg. Forskarna använder molekyler som kallas fantrip som består av två olika kolväten – antracen och triptycen – samt fluoratomer. De specifika egenskaperna hos fantrip gör att molekylerna spontant kommer att arrangera sig i ett mönster. Det kallas för självorganisering. För att molekylerna ska arrangera sig på rätt sätt läggs de på en grafityta täckt med kolkedjor.
I nästa steg sker själva fotopolymeriseringen då mönstret ska fixeras med hjälp av ljus. Molekylerna träffas av en lila laser som exciterar elektronerna i det yttre elektronskalet. Då skapas starka, så kallade kovalenta bindningar mellan molekylerna. Resultatet blir en porös tvådimensionell polymer, en halv nanometer i tjocklek, som består av hundratusentals identiskt sammanlänkade molekyler – med andra ord, ett nästintill perfekt ordnat material, ner till minsta atom.
– Att skapa kovalenta bindningar mellan molekyler kräver mycket energi. Det vanligaste sättet att tillföra energi är att höja temperaturen, men det innebär också att molekylerna börjar röra på sig. Markus Lackinger, forskningsledare på tekniska universitetet i München och Deutsches Museum. Foto Andreas HeddergottDet fungerar inte med självorganiserande molekyler då mönstret skulle förstöras. Genom att istället använda ljus för att skapa kovalenta bindningar bevaras och fixeras mönstret precis som vi vill ha det, säger Markus Lackinger, forskningsledare på tekniska universitetet i München och Deutsches Museum.
I och med att fotopolymeriseringen utförs på en fast yta går det att följa processen på molekylär skala med sveptunnelmikroskop. För att bekräfta strukturen har forskargruppen simulerat hur det molekylära lagret ser ut i mikroskopet vid olika stadier av reaktionen.
Superdator validerar
Jonas Björk är biträdande universitetslektor på avdelningen Materialdesign på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet. Han har använt högprestandaberäkningar på Nationellt superdatorcentrum i Linköping för att validera experimenten samt identifiera nyckelfaktorer som gör metoden lyckosam.
– Vi ser att simuleringarna stämmer överens med verkligheten ner i minsta detalj och kan även förstå varför vårt specifika system ger så fördelaktiga resultat. Nästa steg i forskningen är att se om metoden kan användas för att sammanlänka andra molekyler för nya tvådimensionella funktionella material. Jonas Björk, biträdande universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi. Foto Thor BalkhedGenom att utveckla metoden kan vi i framtiden också styra och skräddarsy vilken typ av ultratunna material vi vill tillverka, säger Jonas Björk.
Polymeriseringen sker i vakuum vilket säkerställer att materialet inte blir förorenat. Den färdiga polymerfilmen klarar sig dessutom utanför vakuumet vilket är en fördel för framtida användningsområden. Markus Lackinger tror att det finns många tänkbara tillämpningar.
– Det mest uppenbara användningsområdet för materialet är filter eller membran. Men det kan också vara något helt annat och tillämpningar som vi inte har en aning om idag kan dyka upp, kanske av en slump. Det är tjusningen med grundforskning, säger Markus Lackinger.
Forskningen finansierades av tyska forskningsstiftelsen, Vetenskapsrådet och regeringens strategiska satsning Avancerade funktionella material vid Linköpings universitet. Beräkningarna utfördes på Nationellt superdatorcentrum vid Linköpings universitet.
Artikeln: Lukas Grossmann, Benjamin T. King, Stefan Reichlmaier, Nicolai Hartmann, Johanna Rosen, Wolfgang M. Heckl, Jonas Björk, Markus Lackinger Nature Chemistry 2021 doi: 10.1038/s41557-021-00709-y
