Tutkijat löysivät uuden hiilimateriaalin, joka voi syrjäyttää grafeenin

Vuonna 2004 löydetystä, vain yhden atomikerroksen paksuisesta grafeenista on povattu uutta supermateriaalia. Fysiikan Nobelillakin palkittu löytö on nyt saanut haastajan Marburgin yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijoiden havaitsemasta aivan uudesta hiilimateriaalista.

Uusi materiaali on yhden atomin paksuinen ja tasomainen kuten grafeeni, mutta se koostuu hiiliatomien muodostamista neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioista. Tutkijat kuvasivat ainutlaatuisen rakenteen atomivoimamikroskoopilla. Aiemmin vastaavanlaisten rakenteiden olemassaolo on voitu osoittaa vain tietokonemallinnuksilla.

Rakenteensa lisäksi uusi, bifenyleeniksi nimetty materiaali poikkeaa myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan grafeenista. Päinvastoin kuin grafeeni se käyttäytyy metallin tavoin myös nanomittakaavassa. Bifenyleenin rakennenauhat ovat metallinomaisia jo 21 atomin levyisinä, kun taas grafeeni on samassa koossa puolijohde.

”Näitä nauhoja voitaisiin käyttää johtimina hiilipohjaisissa nanoelektroniikan komponenteissa”, sanoo professori Michael Gottfried Marburgin yliopistosta.

 ”Uusi hiilimateriaali voisi myös toimia erinomaisena anodimateriaalina litiumioniakuissa, ja sen varastointikapasiteetti voi olla suurempi kuin nykyisten grafeenipohjaisten materiaalien”, sanoo tutkijatohtori Qitang Fan Marburgista.

Kaksi Aalto-yliopiston tutkimusryhmää osallistui materiaalin atomirakenteen varmistamiseen ja sen ominaisuuksien selvittämiseen. Professori Peter Liljerothin johtama ryhmä mallinsi materiaalin ominaisuuksia kokeellisesti. Professori Adam Fosterin johtama ryhmä perehtyi puolestaan materiaalin erikoisiin sähköisiin ominaisuuksiin tietokonesimulaation avulla.

Bifenyleenia voidaan valmistaa kemiallisesti antamalla sopivien lähtöainemolekyylien reagoida erittäin sileällä kultapinnalla. Reaktion ensimmäisessä vaiheessa molekyylit muodostavat ketjuja, jotka koostuvat toisiinsa kytkeytyneistä kuusikulmaisista bentseenirenkaista. Seuraavassa vaiheessa ketjut yhdistyvät muodostaen neliötä ja kahdeksankulmiota.

Reaktiolle on ominaista ketjujen kiraalisuus: ne esiintyvät kahdessa eri muodossa, jotka ovat toistensa peilikuvia, ikään kuin oikea ja vasen käsi. Samanmuotoiset kiraaliset ketjut muodostavat itsejärjestäytyneitä molekyylisaarekkeita ennen reaktiota. Tämä on ratkaisevaa uuden hiilimateriaalin muodostumiselle – jos kaksi erityyppistä ketjua reagoi, syntyy tavallista grafeenia.

”Menetelmämme uusi idea on käyttää kemiallisen reaktion esiasteena sellaisia molekyylejä, joita on muokattu järjestäytymään sopivasti ja tuottamaan bifenyleeniä grafeenin sijasta”, sanoo tutkijatohtori Linghao Yan, joka toteutti atomimikroskooppikokeet Aalto-yliopistossa.

Tutkijat jatkavat työtä tuottamalla suuremman määrän uutta materiaalia selvittääkseen sen käyttömahdollisuuksia laajemmin.

 ”Olemme vakuuttuneita siitä, että tätä uutta valmistusmenetelmää voidaan käyttää myös muiden uudenlaisten hiilirakenteiden valmistamiseen”, professori Peter Liljeroth sanoo.

Lisätietoja:

Tutkimusartikkeli: Q.T. Fan, L.H. Yan, M.W. Tripp, O. Krejči, S. Dimosthenous, S.R. Kachel, M.Y. Chen, A.S. Foster, U. Koert, P. Liljeroth, J.M. Gottfried, Biphenylene Network: A Nonbenzenoid Carbon Allotrope, Science 372, (2021). https://science.sciencemag.org/content/372/6544/852

• Professori Peter Liljeroth
  Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
  peter.liljeroth@aalto.fi 
   
• Tutkijatohtori Linghao Yan (yhteydenotot englanniksi)
  Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
  linghao.yan@aalto.fi

• Professori Adam Foster (yhteydenotot englanniksi)
  Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
  adam.foster@aalto.fi