211service.com
Beklager, grafen-borofen er det nye vidundermateriale, der har begejstret alle
Jury | wikimedia commons
For ikke så længe siden var grafen det store nye vidundermateriale. Et superstærkt, atomtykt ark af carbon kyllingetråd, det kan danne rør, kugler og andre mærkelige former. Og fordi det leder elektricitet, rejste materialeforskere udsigten til en ny æra med grafenbaseret computerbehandling og en lukrativ grafenchipindustri til at starte. Den Europæiske Union investerede 1 milliard euro for at sætte gang i en grafenindustri.
Denne modige nye grafen-baserede verden har endnu ikke materialiseret sig. Men det har udløst en interesse for andre todimensionelle materialer. Og det mest spændende af det hele er borophen: et enkelt lag af boratomer, der danner forskellige krystallinske strukturer.
Årsagen til spændingen er den ekstraordinære række af anvendelser, som borophen ser godt ud til. Elektrokemikere mener, at borophen kan blive anodematerialet i en ny generation af kraftigere lithium-ion-batterier. Kemikere er fascineret af dets katalytiske egenskaber. Og fysikere tester dens evner som sensor til at detektere adskillige slags atomer og molekyler.
I dag gennemgår Zhi-Qiang Wang ved Xiamen Universitet i Kina og en række kolleger borophens bemærkelsesværdige egenskaber og de anvendelser, de kan føre til.
Borophen har en kort historie. Fysikere forudsagde først dens eksistens i 1990'erne ved hjælp af computersimuleringer for at vise, hvordan boratomer kunne danne et monolag.
Men dette eksotiske stof blev først syntetiseret i 2015 ved hjælp af kemisk dampaflejring. Dette er en proces, hvor en varm gas af boratomer kondenserer på en kølig overflade af rent sølv.
Det regelmæssige arrangement af sølvatomer tvinger boratomer ind i et lignende mønster, der hver binder sig til så mange som seks andre atomer for at skabe en flad sekskantet struktur. En betydelig del af boratomer binder dog kun med fire eller fem andre atomer, og det skaber tomheder i strukturen. Mønstret af ledige stillinger er det, der giver borophenkrystaller deres unikke egenskaber.
Siden borophens syntese har kemikere ivrigt karakteriseret dets egenskaber. Borophen viser sig at være stærkere end grafen og mere fleksibelt. Den er en god leder af både el og varme, og den er også superleder. Disse egenskaber varierer afhængigt af materialets orientering og arrangementet af ledige stillinger. Dette gør den tunbar, i hvert fald i princippet. Det er en af grundene til, at kemikere er så begejstrede.
Borophen er også let og ret reaktivt. Det gør den til en god kandidat til at opbevare metalioner i batterier. Borophen er et lovende anodemateriale til Li-, Na- og Mg-ionbatterier på grund af høje teoretiske specifikke kapaciteter, fremragende elektronisk ledningsevne og fremragende iontransportegenskaber, siger Wang og co.
Hydrogenatomer klæber også let til borophens enkeltlagsstruktur, og denne adsorptionsegenskab, kombineret med det enorme overfladeareal af atomlag, gør borophen til et lovende materiale til brintlagring. Teoretiske undersøgelser tyder på, at borophen kan lagre over 15 % af sin vægt i brint, hvilket er væsentligt bedre end andre materialer.
Så er der borophens evne til at katalysere nedbrydningen af molekylært brint til hydrogenioner og vand til brint- og oxygenioner. Enestående katalytisk ydeevne af borophen er blevet fundet i hydrogenudviklingsreaktion, oxygenreduktionsreaktion, oxygenudviklingsreaktion og CO2 elektroreduktionsreaktion, siger holdet. Det kunne indlede en ny æra med vandbaserede energikredsløb.
Ikke desto mindre har kemikere noget arbejde at gøre, før borophen kan blive mere udbredt. Til at begynde med har de endnu ikke fundet en måde at fremstille borophen i store mængder. Og materialets reaktivitet betyder, at det er sårbart over for oxidation, så det skal beskyttes omhyggeligt. Begge faktorer gør borophen dyrt at fremstille og svært at håndtere. Så der er arbejde forude.
Men kemikere har stor tro. Borophen bliver måske bare det næste vidundermateriale, der kommer ind i verden.
Ref: arxiv.org/abs/1903.11304 : Gennemgang af borophen og dets potentielle anvendelser