İsveç’teki Linköping Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yalnızca birkaç atom kalınlığında olan ve enerji depolama ve su arıtma gibi çeşitli uygulamalarda yararlı benzersiz özellikler sergileyen yüzlerce yeni 2 boyutlu malzemenin sentezine yol açabilecek yeni bir yöntem geliştirdiler. Laboratuvarda doğrulanan teorik bir modele dayanan bu ilerleme, bilinen MXene ailesinin ötesinde daha fazla 2 boyutlu malzeme oluşturma potansiyelini genişleterek çeşitli teknolojik uygulamaların önünü açtı.
İnanılmaz derecede ince, yalnızca birkaç atom kalınlığındaki malzemeler, onları enerji depolama, kataliz ve su arıtma için çekici kılan benzersiz özellikler sergiliyor. İsveç’teki Linköping Üniversitesi’ndeki araştırmacılar artık yüzlerce yeni 2 boyutlu malzemenin sentezini mümkün kılan bir yöntem geliştirdiler.
Keşfedildiğinden bu yana grafen2 boyutlu malzemeler olarak adlandırılan son derece ince malzemelerle ilgili araştırma alanı katlanarak arttı. Bunun nedeni, 2 boyutlu malzemelerin hacim veya ağırlıklarına göre geniş bir yüzey alanına sahip olmasıdır. Bu, iyi iletkenlik, yüksek mukavemet veya ısı direnci gibi bir dizi fiziksel olguya ve ayırt edici özelliklere yol açarak 2 boyutlu malzemeleri hem temel araştırma hem de uygulamalar açısından ilgi çekici hale getiriyor.
Jonas Björk, Linköping Üniversitesi’nde doçent.
“Yalnızca bir milimetre kalınlığındaki bir filmde malzemenin milyonlarca katmanı bulunabilir. Katmanlar arasında çok sayıda kimyasal reaksiyon meydana gelebilir ve bu sayede 2 boyutlu malzemeler örneğin enerji depolamak veya yakıt üretmek için kullanılabilir” diyor Linköping Üniversitesi Malzeme Fiziği profesörü Johanna Rosén.
MXenes Ailesi ve Yeni Teorik Modeller
2D malzemelerin en büyük ailesine MXenes adı verilir. MXenler, MAX fazı adı verilen üç boyutlu bir ana materyalden oluşturulur. Üç farklı elementten oluşur: M bir geçiş metalidir, A bir (A grubu) elementtir ve X karbon veya nitrojendir. A elementinin asitlerle uzaklaştırılması (eksfoliasyon) ile iki boyutlu bir malzeme oluşturulur. Şimdiye kadar MXenes bu şekilde oluşturulan tek malzeme ailesiydi.
Linköping araştırmacıları, 2 boyutlu malzemelere dönüştürülmeye uygun olabilecek diğer üç boyutlu malzemeleri tahmin etmek için teorik bir yöntem geliştirdiler. Ayrıca teorik modelin gerçeklikle tutarlı olduğunu da kanıtladılar.
Jie Zhou, Linköping Üniversitesi’nde yardımcı doçent.
Başarılı olmak için araştırmacılar üç aşamalı bir süreç kullandılar. İlk adımda hangi ana materyallerin uygun olacağını tahmin etmek için teorik bir model geliştirdiler. Ulusal Süper Bilgisayar Merkezi’nde büyük ölçekli hesaplamalar kullanan araştırmacılar, bir veri tabanından ve 66.643 materyalden oluşan bir seçimden 119 gelecek vaat eden 3D materyali tanımlamayı başardılar.
Bir sonraki adım materyali laboratuvarda oluşturmaya çalışmaktı.
“119 olası malzeme arasından hangilerinin gerekli kimyasal stabiliteye sahip olduğunu ve hangi malzemelerin en iyi aday olduğunu inceledik. Öncelikle 3 boyutlu materyali sentezlememiz gerekiyordu ki bu da başlı başına bir zorluktu. Sonunda, belirli bölgeleri pul pul döküp aşındırabileceğimiz yüksek kaliteli bir numuneye sahip olduk. atom hidroflorik kullanarak katmanlar asit“diyor Fizik, Kimya ve Biyoloji Bölümünde yardımcı doçent olan Jie Zhou.
Araştırmacılar itriyumu (Y) ana materyal YRu’dan çıkardılar2Si2iki boyutlu Ru oluşumuyla sonuçlandı2SiXÖsen.
Jie Zhou, Linköping Üniversitesi’nde yardımcı doçent. Kredi bilgileri: Olov Planthaber
Gelecekteki Etkiler ve Uygulamalar
Ancak laboratuvardaki başarıyı doğrulamak için doğrulama gereklidir – üçüncü adım. Araştırmacılar Linköping Üniversitesi’ndeki taramalı transmisyon elektron mikroskobu Arwen’i kullandılar. Malzemeleri ve yapılarını atom seviyesinde inceleyebilir. Arwen’de bir malzemenin hangi atomlardan oluştuğunu spektroskopi kullanarak araştırmak da mümkün.
“Teorik modelimizin iyi çalıştığını ve ortaya çıkan malzemenin doğru atomlardan oluştuğunu doğrulayabildik. Pul pul dökülme sonrasında malzemenin görüntüleri bir kitabın sayfalarına benziyordu. Teorinin uygulamaya konulabilmesi ve böylece kimyasal pul pul dökülme konseptinin MXene’lerden daha fazla malzeme ailesini kapsayacak şekilde genişletilebilmesi şaşırtıcı,” diyor Malzeme tasarımı bölümünde doçent olan Jonas Björk.
Araştırmacıların keşfi, benzersiz özelliklere sahip çok daha fazla 2 boyutlu malzemenin ulaşılabilir olduğu anlamına geliyor. Bunlar da çok sayıda teknolojik uygulamanın temelini oluşturabilir. Araştırmacılar için bir sonraki adım, daha fazla potansiyel öncü malzemeyi keşfetmek ve deneyleri büyütmek olacak. Johanna Rosén gelecekteki uygulamaların neredeyse sonsuz olduğuna inanıyor.
“Genel olarak 2D malzemeler çok sayıda uygulama için büyük potansiyel gösterdi. Örneğin karbondioksit yakalamayı veya suyu arıtmayı hayal edebilirsiniz. Artık mesele, sentezin ölçeğini büyütmek ve bunu sürdürülebilir bir şekilde yapmakla ilgili,” diyor Johanna Rosén.
Referans: Jonas Björk, Jie Zhou, Per O. Å tarafından yazılan “Büyük ölçekli hesaplamalar ve katmanlı katıların kimyasal pul pul dökülmesiyle iki boyutlu malzemeler”. Persson ve Johanna Rosen, 14 Mart 2024, Bilim.
Finansman: Knut ve Alice Wallenbergs Stiftelse, Wallenberg Sürdürülebilirlik için Malzeme Bilimi Girişimi, Doğa ve Medicinsk Forskning için Göran Gustafssons Stiftelse, Strategisk Forskning için Stiftelsen, Avrupa Birliği, Vetenskapsrådet, İsveç Hükümetinin İleri Fonksiyonel Malzemeler Üzerine Malzeme Bilimi Stratejik Araştırma Alanı, AFM, Linköping Üniversitesi’nde.
0 Yorumlar