Linköping forskere har lavet 2D guld, og det troede jeg ikke kune lade sig gøre. Det er dejligt at tage fejl på den måde!
"Melting point depression" (jeg ved ikke hvad det hedder på dansk, er det fænomen som måske viser hvor besynderlige 2D materialer er. Almindelige materialer kan som udgangspunkt ikke laves i atomtynde versioner. Melting point depression er når du laver en film af for eksempel platin, tyndere og tyndere. Den har sværere ved at hænge sammen som materiale, des tyndere den bliver. Det kan du tænke på som overflade-spænding - at materialer generelt ikke bryder sig om at have for meget overflade sammenlignet med volumen. Af samme grund foretrækker regmdråber at være så kugleformede som muligt (nej, de er ikke kugleformede).
Tynde film af metaller bliver generelt mere ustabile når de bliver tynde. Når de når ned under 10-100 nanometer, begynder smeltepunktet at dale, og når de når tæt på 1-2 nanometer falder filmen fra hinanden ved stuetemperatur. Det har været kendt i mange år, og er en god forklaring på at 2-dimensionale materialer ikke er mulige.
Men ikke god nok: kulstof eksisterer helt fint som 1-atom tyndt materiale, og er endda det materiale vi endnu har stødt på, der har det højeste smeltepunkt ( omkring 4000-4500 K). Ikke så meget "depression" der!!!!!! Efter at den første sensationelle artikel om grafen blev udsendt i 2004, gik jagten ind på andre 2-dimensionale materialer, og dette har ført til at vi idag kender til over 10000, som min kollega Kristian Thygesen arbejder med at få styr på med sit verdensklasse database projekt og præcise beregninger (C2DB).
Disse materialer er stabile fordi de IKKE er 3-dimensionale. De har løst problemet med "overfladespænding" ved at omarrangere de kemiske bindinger, så den "dyre" (i energi) overflade, koster væsentligt mindre. Der er altså tusindvis af materialer der kan det, men langt de fleste består af mindst 2 forskellige atomer.
Tilbage til guldet. Et meget lille antal metalatomer, kan - stik imod sund fornuft og hvad jeg har prædiket i forelæsninger - danne to-dimensionale film, der er stabile som fritstående membraner. For mig er det ret vildt.
Så nu også guld - det absolut tyndeste bladguld man kan forestille sig! Det er kemikere fra Linköping der har knækket koden til det ultratynde guld. Først laver de en krystal af Titanium Silicium og Kulstof, Ti3SiC2, hvor Si-laget ligger som et atomart tyndt lag mellem skiver af TiC. Derefter erstatter de Si med Au, og til sidst lykkes det dem at ætse TiC væk, uden at ødelægge Au laget. Det er ekstremt overraskende at guld laget overlever, og kan karakteriseres bagefter.
Vi bruger guld hele tiden når vi laver avancerede såkaldte "heterostrukturer" - stakke af 2D materialer der bliver til elektriske eller optiske komponenter med nye mærkværdige og ofte brugbare egenskaber. Vi er for eksempel igang med at lede efter superledning ved stuetemperatur ved hjælp af Bose-Einstein exciton kondensater, og har fået de første indikationer på at det kan gøres (Doan, APL 2023). Her bruger guld som et 3D materiale til at skabe elektrisk kontakt til 2D materialerne. At kunne integrere 2D guld i vores heterostrukturer er en enorm spændende mulighed jeg endnu ikke kan overskue konsekvenserne af.
Det bliver også spændende om Linköping teamets metode kan overføres til andre metaller - og puste liv for eksempel 2D iridium, platin og palladium. Fortsættelse følger, forhåbentligt!
HOV. Jeg glemte at svare på spørgsmålet "Hvordan er det muligt?". Som jeg forstår det, er der en smutvej. Guldfilm bliver ganske rigtigt mere og mere ustabile når man laver dem tynde. Det viser sig hvis man STARTER med et 2D lag af guld, kan det godt holde. Både teoretiske beregninger og de nye eksperimenter understøtter dette. Ved at opbygge 2D guld midt inde i en krystal (som på figuren) og så ætse krystallen væk, holder det.
Dette skyldes at guld - åbenbart - kan lave en anden krystalstruktur, som er bedre egnet til at være ultratynd, end den "sædvanlige" vi kender fra 3D guld. Tænk engang. Hvad skal det ikke ende med!
Link til artiklen i Nature Synthesis Kashiwaya et al, Nature Synthesis, 2024.
