Η δημιουργία ενός νέου ανθρακικού πλέγματος μονοατομικού πάχους συνοδεύεται από πολλά υποσχόμενες επιστημονικές ενδείξεις για τη δυνατότητα σημαντικής βελτίωσης στην τεχνολογία των επαναφορτιζόμενων μπαταριών και για την κατασκευή συρμάτων τόσο μικρών που να λειτουργούν εκεί όπου τα μέταλλα αποτυγχάνουν, γράφει το περιοδικό HORIZON της Ε.Ε. για την έρευνα και την τεχνολογία.
Το υλικό, γνωστό ως δίκτυο διφαινυλενίων (biphenylene network), είναι εξαιρετικά αγώγιμο και μπορεί να αποδειχθεί ικανό να αποθηκεύει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από το γραφένιο, το εκπληκτικού ατομικού πάχους κυψελοειδές ανθρακικό υλικό που εφευρέθηκε πριν από σχεδόν είκοσι χρόνια.
Τον Μάιο, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι κατόρθωσαν να προσαρμόσουν τη διάταξη ατόμων άνθρακα σε ένα πλέγμα, το οποίο, για πρώτη φορά, περιελάμβανε εξάγωνα, τετράγωνα και οκτάγωνα, εξασφαλίζοντας παράλληλα ότι το πάχος του υλικού παρέμενε μονοατομικό.
Η νέα γεωμετρική διάταξη σε δύο διαστάσεις έρχεται να προστεθεί στον κατάλογο των διαφόρων ανθρακικών δομών – ή αλλότροπων – όπως είναι ο γραφίτης, το διαμάντι και το γραφένιο. Ωστόσο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι διαθέτει πολύ διαφορετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες.
Η σύγκριση του νέου υλικού με το γραφένιο έχει μια λογική, με την έννοια ότι μονοστρωματικά άτομα άνθρακα συνδέονται μεταξύ τους σε εξάγωνα προκειμένου να σχηματίσουν ένα πλέγμα με εκπληκτική ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, καθώς και εντυπωσιακή μηχανική αντοχή, ενώ παραμένει εξαιρετικά διαφανές.
Η εργαστηριακή έρευνα επί του νέου υλικού, στο Πανεπιστήμιο Marburg της Γερμανίας και στο Πανεπιστήμιο Aalto της Φινλανδίας, έδειξε ότι οι ταινίες δικτύου διφαινυλενίων, πάχους λίγων μόλις ατόμων, διαθέτουν παρόμοιες ηλεκτρικές ιδιότητες με τα μέταλλα. Αυτό είναι μια ένδειξη ότι το υλικό μπορεί να αξιοποιηθεί στην κατασκευή αγώγιμων συρμάτων για ηλεκτρικά κυκλώματα που βασίζονται στη χρήση άνθρακα.
«Εάν πάρετε παρόμοιου πάχους νανοταινίες γραφενίου, θα δείτε ότι πρόκειται για τυπικούς ημιαγωγούς, ενώ αυτό το διφαινυλένιο έχει περισσότερο τις ιδιότητες των μετάλλων», σημειώνει ο Peter Liljeroth, Καθηγητής του Τμήματος Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Aalto, προσθέτοντας ότι «κάτι τέτοιο καθιστά το υλικό χρήσιμο ως νανοαγωγό για μελλοντικές ηλεκτρονικές συσκευές».
Τα ευρήματα του καθηγητή και της ομάδας του προέκυψαν από μια απεικονιστική τεχνική, την επονομαζόμενη φασματοσκοπία STS (μικροσκοπία σάρωσης μέσω του φαινοµένου σήραγγας), με την οποία μελέτησαν προσεκτικά ταινίες δικτύου διφαινυλενίων, πάχους έως και 21 ατόμων. Αυτές οι ταινίες κατασκευάστηκαν από την ομάδα του Καθ. Michael Gottfried, στο Τμήμα Φυσικής και Χημείας του Φιλίππειου Πανεπιστημίου του Μάρμπουργκ (Marburg), στη Γερμανία.
Η ομάδα του Marburg ανέπτυξε τον τρόπο σύνθεσης αυτού του υλικού. Έφτιαξαν μοριακές αλυσίδες που περιείχαν άνθρακα σε συγκεκριμένες διατάξεις, οι οποίες συγκεντρώνονταν σε μιαν εξαιρετικά λεία και αδρανή επιφάνεια χρυσού. Το επόμενο βήμα ήταν η συρραφή – μέσω περιέλιξης με τη συμπιεστική προσέγγιση «HF-zipping» – των αλυσίδων σε πλέγμα, ώστε να σχηματίζουν ταινίες δικτύου διφαινυλενίων.
Ηλεκτρικό δυναμικό
Η ανάλυση δειγμάτων μεγαλύτερης κλίμακας θα μπορούσε να απαντήσει στο ερώτημα αν ένα διφαινυλένιο ανόδου θα μπορούσε να αυξήσει την απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου, οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε κινητά τηλέφωνα και ηλεκτρικά οχήματα.
Όπως παρατηρεί ο Δρ. Liljeroth, «εάν έχουμε χύδην ή πολυστρωματικά διφαινυλένια… τότε, θεωρητικά, προβλέπεται ότι και η αποθηκευτική ικανότητα του λιθίου θα είναι μεγαλύτερη, πολύ μεγαλύτερη από του γραφενίου».
Εφόσον αυτό επιβεβαιωθεί, το υλικό θα καταστεί εξαιρετικά ελκυστικό για τον τομέα των επαναφορτιζόμενων συσκευών. Ωστόσο, ο Καθ. Liljeroth τονίζει ότι είναι ακόμη πολύ μακρύς ο δρόμος έως τη δυνητική αξιοποίηση τέτοιων ιδιοτήτων σε βιομηχανικές ή εμπορικά καταναλώσιμες εφαρμογές.
Πρόκληση στη δημιουργία χύδην διφαινυλενίων αποτελεί η αύξηση της ακρίβειας στη διεργασία σύνθεσης, κατά τη συμπίεση ταινιών ή λωρίδων διφαινυλενίων επαρκούς ποιότητας ώστε να σχηματίζουν μεγαλύτερα φύλλα, χωρίς μέρη του υλικού να υποπίπτουν στις ιδιότητες του γραφενίου, καθώς τα ανθρακικά άτομα συγκεντρώνονται και συνδέονται μεταξύ τους.
Κι ενώ οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Aalto μπόρεσαν να προσδιορίσουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού από το Πανεπιστήμιο Marburg, ωστόσο υπάρχουν κι άλλα χαρακτηριστικά του δικτύου διφαινυλενίων που παραμένουν ανεξερεύνητα. Μένει ακόμη στην έρευνα να προσδιορίσει τις μηχανικές, τις θερμικές και τις οπτικές του ιδιότητες. Η ύπαρξη μεγαλύτερων δειγμάτων θα βοηθούσε προς αυτήν την κατεύθυνση.
Σύρματα από άνθρακα
Οι επιβεβαιωμένες ιδιότητες αγωγιμότητας των μετάλλων ήδη υποδεικνύουν τη δυνατότητα χρήσης αγώγιμων συρμάτων στην ηλεκτρονική μικρότερης κλίμακας.
Το ατομικό πάχος των συρμάτων που κατασκευάζονται από μέταλλα όπως ο χαλκός, συνήθως ελαττώνεται βαθμηδόν μέσω μιας ηλεκτρομεταναστευτικής διεργασίας – κατά την οποία, τα ηλεκτρόνια, καθώς μετακινούνται, μπορούν να εκτοπίζουν άτομα και να καταστρέφουν τα σύρματα, καθιστώντας τα ασταθή και τελικά εύθραυστα.
Ένα υλικό, όπως το δίκτυο διφαινυλενίων, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποφυγή τέτοιων δυσκολιών σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, λειτουργώντας όπως ένας καλός μεταλλικός αγωγός ηλεκτρονίων, χωρίς τα μειονεκτήματά του όμως. Κάτι τέτοιο θα εξασφάλιζε πιο σταθερούς αγωγούς, επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων συρμάτων στη νανοηλεκτρονική.
«Αυτό είναι ένα από τα προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν ή να λυθούν και τα υλικά που βασίζονται στη χρήση άνθρακα αποτελούν μάλλον μια καλή λύση», όπως υποστηρίζει ο Καθ. Liljeroth.
Ωστόσο, δεν παραλείπει να επιστήσει την προσοχή στο γεγονός ότι: «Σήμερα, απέχουμε ακόμα πολλά, πάρα πολλά βήματα από τη στιγμή που θα μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε σε έναν μικροεπεξεργαστή».
Αυτές οι ιδιότητες, όπως και άλλες που απομένουν να προσδιοριστούν, θα μπορούσαν να παρέχουν ευρύτατα πεδία εξερεύνησης και ανάπτυξης, όπως και ο καινοτόμος τρόπος παραγωγής αυτού καθεαυτού του δικτύου διφαινυλενίων.
Ο Καθ. Liljeroth δίνει έμφαση στις δυνατότητες της συμπιεστικής προσέγγισης HF-zipping, την οποία χρησιμοποιεί η ομάδα του Καθ.Gottfried, για την κατασκευή κι άλλων ανθρακικών δομών.
Συμπίεση ταινιών
Η ομάδα του Marburg χρησιμοποίησε πρόδρομες χημικές ουσίες που βασίζονται στη χρήση άνθρακα και περιέχουν υδρογόνο και φθόριο, ώστε να «συμπιέσουν» ανθρακικές αλυσίδες διαφορετικού ατομικού αριθμού. Αντί να αφήσουν το διαμορφούμενο υλικό να εκπέσει στις ιδιότητες του γραφενίου – την πιο βασική μορφή στην επιφάνεια – έκαναν το επιπλέον βήμα να προσαρμόσουν χημικά τα άκρα των ταινιών που συμπίεζαν, ώστε να σχηματιστεί το δίκτυο διφαινυλενίων.
«Αυτό που ελπίζω να προκύψει από αυτήν την εργασία, είναι να αρχίσουν οι άνθρωποι να σκέπτονται αυτό το είδος της HF-zipping διεργασίας συμπίεσης για τη δημιουργία νέων υλικών, (ώστε) ξεκινώντας με την ίδια βασική διάταξη και επιφέροντας μικροαλλαγές στις πρόδρομες ουσίες να καταλήξουν και σε άλλο δισδιάστατο ανθρακικό δίκτυο», προσθέτει ο Καθ. Liljeroth.
Καθώς το υλικό, μέχρι στιγμής, παράγεται σε επιφάνεια χρυσού, μια άλλη πρόκληση είναι η τελειοποίηση της μεθόδου απομάκρυνσης του δικτύου διφαινυλενίνων από το μέταλλο. Αυτή είναι μια άσκηση, για την οποία οι ερευνητές αντλούν γνώση από την εμπειρία της συνεχιζόμενης ενασχόλησης με το γραφένιο, ενασχόληση η οποία επίσης καταδεικνύει και κάποιες άλλες πτυχές για την ανάπτυξη του δικτύου διφαινυλενίων.
«Θα έλεγα ότι οι δυνατότητες που υπάρχουν είναι πολλές… τώρα πλέον που φάνηκε ότι είναι εφικτή η δημιουργία τέτοιων δομών και ότι είναι σταθερές, έστω και κάτω από αυτές τις συνθήκες», αναφέρει ο Καθ. Roman Fasel, επικεφαλής του Εργαστηρίου nanotech@surfaces, ενός από τα Εργαστήρια Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών της Ελβετικής Συνομοσπονδίας (EMPA), ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.
Όπως επισημαίνει, «η πραγματική πρόκληση είναι η κλιμάκωση αυτής της τεχνολογίας», για να προσθέσει ότι «η ενασχόληση με το γραφένιο κατέδειξε ότι ήταν δυνατή η πρόοδος από τους μικροσκοπικούς κόκκους υλικού σε επεξεργάσιμες κλίμακες».
«Μια κατεύθυνση είναι η βελτιστοποίηση της σύνθεσης, ώστε να επιτευχθεί ένα μεγάλης έκτασης δισδιάστατο δίκτυο, ας πούμε για ηλεκτρόδια ή κάτι παρόμοιο, όμως μια άλλη κατεύθυνση θα ήταν να βρούμε έναν τρόπο κατασκευής σαφώς καθορισμένων νανοταινιών – απλώς τη μονοδιάστατη μεταβλητή του υλικού», συμπληρώνει ο Καθ. Fasel.
Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις σε ό,τι αφορά το διφαινυλένιο είναι ο προσδιορισμός ιδιοτήτων που να το καθιστούν προφανή επιλογή για μελλοντικές εφαρμογές – γνωστές στην ορολογία της πληροφορικής ως «killer app» (πλήρεις και ολοκληρωμένες εφαρμογές) – καλύτερο και ασυναγώνιστο από κάθε άποψη, καθώς και ευκολότερο και φθηνότερο στην κατασκευή του.
Εξάλλου, οι άνθρωποι ασχολούνται με το γραφένιο σχεδόν δύο δεκαετίες και παρόλο που έχει να επιδείξει εντυπωσιακές ιδιότητες και βρίσκει εφαρμογή σε βαφές και επικαλύψεις, στη μικροηλεκτρονική και τους διάφανους αγωγούς – αφού χρησιμοποιείται ακόμη και σε ρακέτες του τένις ή σε μελάνια – εντούτοις, δεν έχει φέρει την απόλυτη επανάσταση σε κάποιον συγκεκριμένο τομέα.
«Σε κάποιες περιπτώσεις, ένα νέο υλικό επιτρέπει κάτι που απλά ήταν αδύνατο να συμβεί με την υπάρχουσα τεχνολογία και στη συνέχεια, η εξέλιξή του είναι ραγδαία», σημειώνει ο Καθ. Liljeroth και καταλήγει λέγοντας: «Ωστόσο, δεν ξέρω αν αυτό θα συμβεί με το διφαινυλένιο – θα περιμένουμε να το δούμε».
