Tutkijat ovat löytäneet hiilimateriaalin, joka saattaa syrjäyttää grafeenin. Yhden atomin paksuinen bifenyleeni toimii kuin metalli, ja sitä voidaan käyttää grafeenin sijasta esimerkiksi litiumioniakuissa.
Marburgin yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijoiden havaitsema uusi hiilimateriaali on atominpaksuinen ja tasomainen, kuten grafeenikin.
Bifenyleeniksi nimetty materiaali kuitenkin koostuu hiiliatomien muodostamista neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioista.
Tutkijat kuvasivat ainutlaatuisen rakenteen atomivoimamikroskoopilla. Aiemmin vastaavien rakenteiden olemassaolo on voitu osoittaa vain tietokonemallinnuksilla.
Rakenteensa lisäksi bifenyleeni poikkeaa grafeenista myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan. Päinvastoin kuin grafeeni se käyttäytyy metallin tavoin myös nanomitassa.
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.
Bifenyleeni voisi toimia myös erinomaisena anodimateriaalina litiumioniakuissa, sillä sen varastointikapasiteetti voi olla suurempi kuin nykyisten grafeenipohjaisten materiaalien.
Aalto-yliopistosta osallistui bifenyleenin atomirakenteen varmistamiseen ja sen ominaisuuksien selvittämiseen kaksi tutkimusryhmää.
Professori Peter Liljerothin johtama ryhmä mallinsi materiaalin ominaisuuksia kokeellisesti. Professori Adam Fosterin ryhmä taas perehtyi bifenyleenin sähköisiin ominaisuuksiin tietokonesimulaation avulla.
Tutkimusartikkelin julkaisi Science-lehti.
Salaisuutena samanmuotoiset kiraaliset ketjut
Bifenyleeniä 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 ja muodostavat neliöitä ja kahdeksankulmioita.
Reaktiolle on ominaista ketjujen kiraalisuus: ne esiintyvät kahdessa eri muodossa, jotka ovat toistensa peilikuvia.
Samanmuotoiset kiraaliset ketjut muodostavat itsejärjestäytyneitä molekyylisaarekkeita ennen reaktiota.
Juuri tämä on ratkaisevaa uuden hiilimateriaalin muodostumiselle. Jos reagoimassa on kaksi erityyppistä ketjua, syntyy tavallista grafeenia.
”Menetelmämme uusi idea on käyttää kemiallisen reaktion esiasteena sellaisia molekyyleja, joita on muokattu järjestäytymään sopivasti ja tuottamaan bifenyleeniä grafeenin sijasta”, sanoo tutkijatohtori Linghao Yan, joka toteutti atomimikroskooppikokeet Aalto-yliopistossa.
Tutkijat aikovat nyt tuottaa suuremman määrän uutta materiaalia selvittääkseen sen käyttömahdollisuuksia laajemmin.
”Olemme vakuuttuneita siitä, että tätä uutta valmistusmenetelmää voidaan käyttää myös muiden uudenlaisten hiilirakenteiden valmistamiseen”, Peter Liljeroth sanoo.
(Kuva Marburgin yliopisto ja Aalto-yliopisto) Bifenyleenin rakenne. Ylhäällä hiiliatomien muodostamia neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioita. Alaosa on atomivoimamikroskooppikuva keinotekoisesti valmistetusta materiaalista.
