Ny metode til at bygge med atomer

Med opfindelsen af elektronmikroskopet for 90 år siden begyndte vi for første gang at kunne ’se’ naturens mikroskopiske bestanddele på nanoskala. Efterhånden har forskere inden for mange fagdiscipliner ønsket ikke bare at studere naturens mindste bestanddele, men også at bruge dem som byggeklodser. Nanoteknologiens ultimative drøm er at blive i stand til at arrangere de enkelte atomer og derved skabe materialer med hidtil ukendte egenskaber.

Vidundermaterialet grafen

Et vigtigt skridt på vejen blev taget i 2004, da det lykkedes Andre Geim og Konstantin Novoselov fra Manchester Universitet at isolere grafen, som er et atomtyndt lag af kulstofatomer. Selvom grafen er en bestanddel af et yderst velkendt materiale – nemlig grafit – har det en lang række overraskende egenskaber. Det kan tåle højere temperaturer end noget andet materiale, helt op til 4.500 grader C.

Det er uigennemtrængeligt selv for de mindste atomer, brint og helium. Derudover er grafen 100 gange stærkere end stål og bedre til at lede varme og strøm end kobber. Da det er så utrolig tyndt, kan lys passere igennem uden at miste mere end 2 % intensitet. Det er ikke så mærkeligt, at både forskere og industrielle virksomheder har kastet sig over materialet. Grafen kan i dag produceres i tonsvis og er på vej i en række kommercielle produkter. De første mobiltelefoner med grafen- touchskærm produceres allerede i Kina, og DTU er involveret i store danske og internationale samarbejdsprojekter om kommercielle anvendelser af grafen.

Flere mærkværdige materialer

Det er siden gået op for forskerne, at grafen måske nok er enestående, men ikke det eneste atomtynde materiale.

”Det helt vilde er, at grafen blot er ét ud af flere tusinde materialer, der er todimensionale. Og disse materialer tilbyder en ufattelig bred vifte af egenskaber, der dækker over alt, hvad man kan ønske sig,” fortæller Peter Bøggild, der er professor på DTU Nanotech. ”Det kæmpe potentiale for disse mærkværdige materialer bliver først for alvor udløst, når man begynder at sammensætte dem. Og det kan vi nu gøre med atomar præcision her på DTU.” 

Peter Bøggild og hans forskergruppe har nemlig udviklet en ny metode til at lægge atomtynde 2D-materialer lagvis uden at beskadige lagene.

”Man kan sammenligne det lidt med et laminatgulv. De forskellige komponenter – folier og forskellige trælag – giver tilsammen høj brudstyrke, let vedligeholdelse, isolering af varme og stor fleksibilitet, men det fremstår som et enkelt produkt. Det er det samme, vi nu kan gøre på atomart niveau,” fortæller Peter Bøggild.

Når man laminerer de atomtynde lag, kan man skræddersy de elektriske, optiske og mekaniske egenskaber på en ny måde. Det har imidlertid været en udfordring at lægge de todimensionale lag oven på hinanden, uden at der kom forurening som f.eks. utilsigtede partikler, bobler og molekyler ind imellem lagene, da det let kan ødelægge egenskaberne.

”Så vi satte os for at finde en løsning,” siger Peter Bøggild. ”To af vores ph.d.-studerende besøgte den førende gruppe ved Columbia Universitet i New York for at lære, hvordan gruppens nyudviklede metode til at opbygge atomlag fungerede. Under opholdet havde vores ph.d.er ikke bare lært metoden, men også tilført en række afgørende forbedringer, noget, som vi under ét kalder ’hot pickup’,” siger han.

Temperaturen er afgørende

Metoden består i en nøjagtig styring af temperaturen til at variere tiltrækningskræfterne mellem ’hånden’, der opsamler og placerer atomlagene, samt i opvarmning under ’lamineringen’ for at bortskaffe urenheder mellem lagene. Den forbedrede kontrol betyder, at man kan opbygge tredimensionale arkitekturer, hvor atomlagene er forbundne ikke bare horisontalt, men også vertikalt. En anden fordel er, at metoden er relativt nem at mestre og giver forudsigelige resultater. Peter Bøggild forventer derfor, at flere forskningsgrupper kan komme i gang med at opbygge komplekse strukturer af atomlag på højt niveau.

”Der er allerede produceret solceller, sensorer og lysdioder med de todimensionale supermaterialer, men det er blot begyndelsen. Med de næsten uendelig mange materialekombinationer, vi kan lave ved opbygning af strukturer med individuelle atomlag, er vi i en situation, hvor det måske først og fremmest er vores forestillingsevne, der begrænser os. Vi taler om 2.500 forskellige stoffer, der har det tilfælles, at de nu kan kombineres frit uden begrænsninger på atomart niveau. Set i et materialeforskningsperspektiv er det en begivenhed, der vil få vidtrækkende konsekvenser,” slutter Peter Bøggild.