חוקרים המציאו טכניקת ייצור עבור אחד החומרים הדו-ממדיים המלהיבים ביותר בשנים האחרונות, שעשויה סוף סוף לקחת את המתחם מספסל מעבדה למגוון יישומים תעשייתיים. קרדיט: DICP
יריעות ננו העשויות מטלורידים של מתכת מעבר הוכיחו פוטנציאל משמעותי למחקר בסיסי ויישומים בתחומים שונים, אך עד לאחרונה, הייצור בקנה מידה גדול שלהם לא היה בר השגה, מה שהשליך אותם למעמד של חידוש מעבדתי בלבד ולא חומר תעשייתי מעשי. אבל צוות חוקרים פיתח לאחרונה טכניקת ייצור חדשנית – שימוש בתמיסות כימיות כדי לקלף שכבות דקות מהתרכובות האבות שלהן, וליצור יריעות אטומיות דקות – שנראה סוף סוף לקיים את ההבטחה של החומר הדק במיוחד.
החוקרים מתארים את טכניקת הייצור שלהם במחקר שפורסם ב טֶבַע ב-3 באפריל.
בעולם של חומרים דקים במיוחד או 'דו-מימדיים' – אלה המכילים רק שכבה אחת של אטומים – ננו-גליונות מתכת מעבר (TMT) עוררו בשנים האחרונות התרגשות רבה בקרב כימאים ומדעני חומרים בשל תכונותיהם יוצאות הדופן במיוחד. תרכובות אלו, העשויות מטלוריום וכל אחד מהיסודות ב'אמצע' הטבלה המחזורית (קבוצות 3-12), נהנות ממגוון מצבים מחצי מתכתי ועד מוליכים למחצה, מבודדים ומוליכי-על, ואפילו מצבים אקזוטיים יותר, כמו כמו גם פעילות קטליטית מגנטית וייחודית.
מאפיינים אלה מציעים מגוון של יישומים פוטנציאליים בין מוצרי אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, קטליזה וחישה. במיוחד, גליונות ננו TMT נחקרים כחומרי אלקטרודה חדשים בסוללות ובקבלי-על – חיוניים למעבר הנקי – בשל המוליכות הגבוהה ושטח הפנים הגדול שלהם.
יישומים ואתגרים פוטנציאליים
גליונות ננו TMT יכולים לשמש גם כזרזים חשמליים לסוללות ליתיום-חמצן, ולשפר את היעילות והביצועים שלהן. יישומים פוטנציאליים נוספים בטכנולוגיות מתפתחות כוללים פוטו-וולטאיות ותרמו-אלקטריות, ייצור מימן וסינון והפרדה. אפילו נמצאו שהם מציגים תופעות קוונטיות מעניינות, כמו תנודות קוונטיות והתנגדות מגנטית ענקית.
"רשימת התעשיות שייהנו משיפורי יעילות משמעותיים מייצור המוני של ננו-גליונות TMT היא ארוכה ביותר", אמר ראש הצוות WU Zhong-Shuai, כימאי במכון דאליאן לפיזיקה כימית (DICP), האקדמיה הסינית למדעים. "זו הסיבה שהחומר הדו-ממדי הזה הוא פוטנציאלי כל כך מרגש."
למרבה הצער, למרות ניסיונות שונים של פילינג של ננו-גליונות TMT באיכות גבוהה, שמירה על גבישיות גבוהה תוך השגת גודל ננו-יריעות גדול ותכונה דקיקה במיוחד ממשיכה להיות אתגר משמעותי. השיטות שהוכנו עד כה אינן ניתנות להרחבה עקב זמני עיבוד ארוכים. הם גם דורשים לעתים קרובות כימיקלים רעילים. לפיכך, המאפיינים של ננו-גליונות TMT נותרו תופעת מעבדה מעניינת שלא ממש יכולה לעשות את הקפיצה לייצור המוני ויישום תעשייתי.
פריצת דרך בייצור המוני
הצוות סוף סוף פצח את הבעיה הזו באמצעות תהליך פשוט של ליטייה, הידרוליזה ולבסוף פילינג ננו-סheet.
ראשית, הוכנה כמות גדולה של גבישי מתכת טלוריד באמצעות הובלת אדים כימיים – שיטה המקובלת בכימיה להובלת תרכובות מוצקות ממקום אחד לאחר באמצעות גז נשא. כאשר כלי התגובה מחומם, חומר ההובלה מתאדה ונושא עמו את התרכובת המוצקה כאדים. האדים עוברים דרך כלי התגובה ועלולים להיתקל במשטח קריר יותר, שבו התרכובת יכולה להפקיד וליצור גבישים. זה מאפשר צמיחה מבוקרת של גבישים או סרטים דקים מאוד של התרכובת הרצויה. במקרה זה, גבישי הטלוריד המוכנים מעורבבים לאחר מכן עם ליתיום בורוהידריד. תהליך זה כולל הנחת יוני ליתיום בין שכבות גבישי המתכת הטלורידיים, מה שמוביל להיווצרות של תרכובת ביניים, 'מנוהלת'.
לאחר מכן, תרכובת הביניים המנוהלת נספגת במהירות במים, מה שגורם ל"פילינג" או הפשטה של גבישי הטלורידים המתכתיים המנוהלים לגליונות ננו תוך שניות.
לבסוף, יריעות הננו המתכת המגולפות מטלוריד נאספות ומאופיינות על סמך צורתן וגודלן, מה שמאפשר לעבד אותן לצורות שונות כגון סרטים, דיו וחומרים מרוכבים, בהתאם ליישום הרצוי.
התהליך כולו נמשך רק עשר דקות עבור הליטיה ושניות עבור ההידרוליזה. הטכניקה מסוגלת לייצר ננו-יריעות TMT באיכות גבוהה בעוביים רצויים משתנים עם תפוקות גבוהות מאוד.
בעת בדיקת הננו-גליונות, החוקרים גילו שאחסון המטען שלהם, הקיבולת הגבוהה והיציבות שלהם גרמו להם להבטחות ליישומים בסוללות ליתיום ומיקרו-קבלי-על.
הם מאמינים שהטכניקה שלהם מוכנה בעצם למסחור, אבל הם גם רוצים לערוך מחקרים נוספים כדי לאפיין את המאפיינים וההתנהגות של הננו-סדינים שלהם, כמו גם לשכלל ולייעל את שלבי הליטיה והפילינג.
