2D 소재의 새로운 세계가 열린다

믿을 수 없을 정도로 얇고 원자 몇 개 두께의 물질은 에너지 저장, 촉매 작용 및 수질 정화에 매력적인 독특한 특성을 나타냅니다. 스웨덴 린셰핑 대학교(Linköping University) 연구원들은 이제 수백 가지의 새로운 2D 재료를 합성할 수 있는 방법을 개발했습니다. 그들의 연구는 저널에 게재되었습니다. 과학.

그래핀이 발견된 이후 초박형 물질, 즉 2차원 물질에 대한 연구 분야가 기하급수적으로 늘어났습니다. 그 이유는 2차원 소재는 부피나 무게에 비해 표면적이 크기 때문이다. 이는 우수한 전도성, 높은 강도 또는 내열성과 같은 다양한 물리적 현상과 고유한 특성을 발생시켜 기초 연구 및 응용 분야 모두에서 2D 재료를 관심 있게 만듭니다.

“1밀리미터 두께의 필름에는 수백만 개의 재료 층이 있을 수 있습니다. 층 사이에는 많은 화학 반응이 있을 수 있으며, 덕분에 2D 재료는 에너지 저장이나 연료 생성에 사용될 수 있습니다. 예를 들어 Linköping University의 재료 물리학 교수인 Johanna Rosén은 말합니다.

2D 재료의 가장 큰 계열은 MXene입니다. MXene은 MAX 단계라고 불리는 3차원 모재로부터 생성됩니다. 이는 세 가지 다른 원소로 구성됩니다. M은 전이금속, A는 (A족) 원소, X는 탄소 또는 질소입니다. 산으로 A원소를 제거(박리)함으로써 2차원 물질이 생성됩니다. 지금까지 MXenes는 이러한 방식으로 생성된 유일한 재료군이었습니다.

Linköping 연구원들은 2D 재료로 변환하는 데 적합할 수 있는 다른 3차원 재료를 예측하기 위한 이론적 방법을 도입했습니다. 그들은 또한 이론적 모델이 현실과 일치한다는 것을 증명했습니다.

성공하기 위해 연구원들은 3단계 프로세스를 사용했습니다. 첫 번째 단계에서 그들은 어떤 모재가 적합한지 예측하기 위한 이론적 모델을 개발했습니다. 국립슈퍼컴퓨터센터(National Supercomputer Centre)의 대규모 계산을 사용하여 연구원들은 데이터베이스에서 119개의 유망한 3D 재료와 66,643개의 재료로 구성된 선택 항목을 식별할 수 있었습니다.

다음 단계는 실험실에서 재료를 만들어 보는 것이었습니다.

“119개의 가능한 재료 중 어떤 재료가 요구되는 화학적 안정성을 갖추고 어떤 재료가 가장 적합한 후보인지 연구했습니다. 먼저 3D 재료를 합성해야 했는데, 이는 그 자체로 어려운 일이었습니다. 마지막으로 고품질 샘플을 얻었습니다. 불화수소산을 사용하여 특정 원자층을 벗겨내고 식각할 수 있었습니다.” 라고 물리학, 화학, 생물학과 조교수인 Jie Zhou가 말했습니다.

연구진은 모물질인 YRu에서 이트륨(Y)을 제거했다.₂그리고₂그 결과 2차원 Ru가 형성되었다.₂그리고_엑스영형_와이.

하지만 실험실에서 성공을 확인하려면 검증이 필요합니다. 3단계입니다. 연구진은 Linköping 대학의 주사투과전자현미경 Arwen을 사용했습니다. 원자 수준에서 재료와 그 구조를 조사할 수 있습니다. Arwen에서는 분광학을 사용하여 물질이 어떤 원자로 구성되어 있는지 조사하는 것도 가능합니다.

“우리는 우리의 이론적 모델이 잘 작동하고 결과 물질이 올바른 원자로 구성되어 있음을 확인할 수 있었습니다. 박리 후 물질의 이미지는 책의 페이지와 유사했습니다. 이론을 실제로 적용할 수 있다는 것이 놀랍습니다. 화학적 박리의 개념을 MXene보다 더 많은 재료군으로 확장했습니다.”라고 재료 디자인 부서의 조교수인 Jonas Björk는 말합니다.

연구진의 발견은 고유한 특성을 지닌 더 많은 2D 재료를 사용할 수 있음을 의미합니다. 이는 결국 수많은 기술 적용을 위한 기반을 마련할 수 있습니다. 연구자들의 다음 단계는 더 많은 잠재적인 전구체 물질을 탐색하고 실험 규모를 확대하는 것입니다. Johanna Rosén은 미래의 응용 분야가 거의 끝이 없다고 믿습니다.

“일반적으로 2D 재료는 엄청난 수의 응용 분야에서 큰 잠재력을 보여주었습니다. 예를 들어 이산화탄소를 포집하거나 물을 정화하는 것을 상상할 수 있습니다. 이제 합성 규모를 확대하고 지속 가능한 방식으로 수행하는 것이 중요합니다.”라고 Johanna Rosén은 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240314145302.htm