Ett internationellt forskarlag med deltagare från bland annat Linköpings universitet (LU), Deutsches Museum och det tekniska universitetet i München har utvecklat en metod för att tillverka tvådimensionella polymerer endast ett molekyllager tjocka. Upptäckten banar väg för utvecklingen av nya ultratunna och funktionella material. Resultaten är publicerade i Nature Chemistry.
Jonas Björk, biträdande universitetslektor på Institutionen för fysik, kemi och biologi, använder högprestandaberäkningar på Nationellt superdatorcentrum för att validera experimenten samt identifiera nyckelfaktorer som gör den nya metoden lyckosam.
Foto: Thor Balkhed
Jakten på nya tvådimensionella material har ökat i snabb takt sen upptäckten av grafen. 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. Problemet med den metoden är enligt forskarna 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, skriver Linköpings universitet i en nyhetsartikel.
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 – en så kallad 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, 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 och enligt forskarna, ett nästintill perfekt ordnat material, ner till minsta atom.
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.
Genom 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.
Länk till artikeln: On-surface photopolymerization of two-dimensional polymers ordered on the mesoscale 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
