BO-graphane and BO-diamane

Stel je een wereld voor die is gebouwd van hetzelfde materiaal als het lood van een potlood, maar dan zo perfect gerangschikt dat het het hardste bekende materiaal ter wereld wordt. Dit is de belofte van diamant, een materiaal dat wordt geprezen om zijn sterkte en zijn vermogen om warmte te geleiden. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze diamantstructuur terug te brengen naar een enkele, platte laag, om een tweedimensionale versie te creëren die gebruikt kan worden in de volgende generatie elektronica en warmtebeheersystemen. De uitdaging is geweest om deze ultradunne vellen stabiel te houden; zonder iets dat de atomen op hun plaats houdt, hebben ze de neiging om in te storten of terug te keren naar hun zachtere, grafietachtige vorm. Onderzoekers hebben eerder geprobeerd om waterstof- of fluoratomen te gebruiken om de oppervlakken van deze koolstofvellen te bekroenen, maar de resultaten waren een mix van theoretische mogelijkheid en moeilijke synthese. De vraag bleef: zou een andere combinatie van atomen een diamantachtige laag kunnen creëren die niet alleen stabiel is, maar ook uitzonderlijk sterk en efficiënt in het verplaatsen van warmte?

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuw pad verkend door gebruik te maken van boor en zuurstof om deze koolstoflagen te stabiliseren. Met behulp van krachtige computersimulaties modelleerden zij wat er gebeurt wanneer boor- en zuurstoflatomen aan beide zijden van een enkele koolstoflaag worden bevestigd, evenals aan stapels van twee en drie lagen. Ze ontdekten dat deze specifieke combinatie een nieuw materiaal creëert dat ze "BO-grafaan" noemen voor de enkele laag en "BO-diamaan" voor de dikkere, diamantachtige stapels. In tegen tegenstelling tot eerdere pogingen die moeite hadden om hun vorm te behouden, houden deze nieuwe structuren zich stevig vast. De boor- en zuurstoflatomen fungeren als een stevige sandwichvulling die de koolstofatomen vergrendelt in een rigide, driedimensionale rangschikking die de interne structuur van een diamant nabootst, ook al is het materiaal slechts enkele atomen dik.

De simulaties toonden aan dat deze nieuwe vellen opmerkelijk taai zijn. Wanneer de onderzoekers testten hoeveel kracht de materialen konden weerstaan voordat ze braken, vertoonde de twee-laagse versie, bekend als BO-diamaan, een stijfheid die zelfs de beste bekende diamantachtige vellen gemaakt met waterstof of fluor overtrof. De enkelvoudige versie was ook erg sterk, hoewel iets minder sterk dan de twee-laagse variant. Wat deze bevindingen bijzonder spannend maakt, is het vermogen van het materiaal om warmte te verwerken. In de wereld van de elektronica is het beheren van warmte vaak de grootste flessenhals; als een apparaat te heet wordt, gaat het kapot. De onderzoekers berekenden dat de enkelvoudige versie warmte kan geleiden met een snelheid van 879 watt per meter per Kelvin, terwijl de twee-laagse versie 1260 watt per meter per Kelvin bereikt. Om dit in perspectief te plaatsen, zijn deze waarden veel hoger dan die van veelvoorkomende warmtegeleidende keramiek zoals aluminiumoxide of magnesiumoxide, en ze wedijveren met de prestaties van de beste waterstofgebaseerde diamantvellen die momenteel bekend zijn. Dit suggereerden dat als deze materialen in een laboratorium gemaakt kunnen worden, ze ideaal zouden kunnen zijn voor het koelen van hoogwaardige computerchips of het beheren van warmte in geavanceerde batterijen.

Naast hun sterkte en thermische eigenschappen, onderzochten de onderzoekers hoe elektriciteit door deze vellen beweegt. Ze vonden dat zowel de enkelvoudige als de meervoudige versies werken als breedband-halfgeleiders. Dit betekent dat ze onder normale omstandigheden niet gemakkelijk elektriciteit geleiden, maar dat ze met de juiste energie-input wel geleidend kunnen worden gemaakt, een eigenschap die essentieel is voor het beheersen van elektronische signalen. De energie die vereist is om ze aan te zetten is vrij hoog, variërend van ongeveer 3,5 tot 4,2 elektronvolt afhankelijk van de dikte, wat hen in een nuttige categorie plaatst voor specifieke elektronische toepassingen. Belangrijk is dat de onderzoekers bevestigden dat deze structuren niet slechts theoretische curiositeiten zijn; ze lijken zelfs bij zeer hoge temperaturen stabiel te blijven. Simulaties toonden aan dat de vellen hun structurele integriteit behielden wanneer ze werden verhit tot 1000 Kelvin, een temperatuur waarbij veel andere materialen uit elkaar zouden vallen. De atomen bleven op hun posities vergrendeld en de totale energie van het systeem bleef stabiel, wat aangeeft dat de bindingen die boor, zuurstof en koolstof bij elkaar houden robuust genoeg zijn om extreme omstandigheden te overleven.

De studie verduidelijkte ook waarom sommige eerdere pogingen om soortgelijke materialen te maken faalden. De onderzoekers testten een versie waarbij slechts één zijde van het koolstofvel werd bedekt met boor en zuurstof, maar ze ontdekten dat deze enkelzijdige versie de vorm niet kon behouden, zelfs niet op kamertemperatuur. Het was alleen wanneer beide zijden volledig werden bedekt met boor en zuurstof dat de structuur stabiel werd. Dit suggereert dat voor deze diamantachtige vellen volledig omhuld moet worden door de stabiliserende atomen. Het team ontdekte ook dat de manier waarop de lagen op elkaar gestapeld zijn er enigszins toe doet, waarbij één specifiek stapelpatroon iets energetisch gunstiger is dan een ander, hoewel beide levensvatbare kandidaten zijn voor creatie. Door de exacte afstanden tussen de atomen en de hoeken waaronder zij verbinding maken in kaart te brengen, boden de onderzoekers een gedetailleerd blauwdruk van hoe deze materialen er op atomair niveau uitzien, waarbij ze laten zien dat de koolstofatomen een perfect diamantrooster vormen dat tussen lagen boor en zuurstof is geplaatst.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuw blauwdruk voor het bouwen van ultradunne, ultra-sterke materialen. Hoewel de studie volledig via computermodellering is uitgevoerd en nog niet fysiek in een laboratorium is gesynthetiseerd, bieden de resultaten een duidelijk doel voor experimentatoren. De combinatie van hoge thermische geleidbaarheid, uitzonderlijke mechanische sterkte en thermische stabiliteit maakt deze boor-zuurstof-koolstofvellen een veelbelovende kandidaat voor toekomstige technologieën. Als wetenschappers erin slagen deze materialen succesvol te kweken, zouden ze de deur kunnen openen naar elektronische apparaten die koeler en sterker draaien, en beschermende coatings die extreme omgevingen kunnen weerstaan. Het onderzoek beweert niet het probleem van het maken van deze materialen te hebben opgelost, maar het heeft stevig vastgesteld dat ze in theorie mogelijk zijn en de moeite waard zijn om in de praktijk te creëren.