Rakennekuvan yläosa esittää bifenyleenin hiiliatomien säännönmukaisesti muodostamat neli-, kuusi- ja kahdeksankulmiot. Alaosa on atomivoimamikroskooppikuva keinotekoisesti valmistetusta materiaalista.
Aallon tutkijoiden löytämä bifenyleeni lyö grafeeninkin
Tutkijat löytämä uusi hiilimateriaali voi nostaa jatkossa litiumioniakkujen varaustasoa.
26.05.2021
Teksti Esko Lukkari kuvat Marburgin yliopisto, Aalto-yliopisto
Aalto-yliopiston ja Marburgin yliopiston tutkijat ovat löytäneet grafeeniakin lujemman aineen. Uusi materiaali on yhden atomin paksuinen ja tasomainen kuten grafeeni, mutta se koostuu hiiliatomien muodostamista neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioista.
Tutkijat ovat kuvanneet ainutlaatuisen rakenteen atomivoimamikroskoopilla. Aiemmin vastaavanlaisten rakenteiden olemassaolo on voitu osoittaa vain tietokonemallinnuksilla.
Aalto yliopisto tiedotti asiasta 20.5.
Vuonna 2004 löydetystä, vain yhden atomikerroksen paksuisesta grafeenista on povattu uutta supermateriaalia. Fysiikan Nobelillakin palkittu löytö on nyt saanut haastajan tutkijoiden havaitsemasta uudesta hiilimateriaalista.
Rakenteensa lisäksi uusi, bifenyleeniksi nimetty materiaali poikkeaa myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan grafeenista. Toisin 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 tiedotteessa professori Michael Gottfried Marburgin yliopistosta.
Sopisi litiumioniakkuihin
”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 ominaisuuksien selvittämiseen. Professori Peter Liljerothin johtama ryhmä mallinsi sen ominaisuuksia kokeellisesti. Professori Adam Fosterin johtama ryhmä perehtyi sen erikoisiin sähköisiin ominaisuuksiin tietokonesimulaatiolla.
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.
Materiaalia tarvitaan lisää
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.