Facebook

Instagram

Nytt ljus över tillverkningen av ultratunna polymerer


2021-06-09

Jonas Björk, biträdande universitetslektor vid Linköpings universitet.
Bild: Thor Balkhed
Jonas Björk, biträdande universitetslektor vid Linköpings universitet.

Markus Lackinger, forskningsledare vid tekniska universitetet i München.
Bild: Andreas Heddergott / TUM
Markus Lackinger, forskningsledare vid tekniska universitetet i München.

Ett internationellt forskarlag med forskare från bland annat Linköpings universitet, Deutsches Museum och det tekniska universitetet i München har utvecklat en metod för att tillverka tvådimensionella polymerer endast ett molekyllager tjocka. Polymeren skapas på en fast yta med hjälp av ljus. Upptäckten banar väg för utvecklingen av nya ultratunna och funktionella material. Resultaten är publicerade i Nature Chemistry.

Jakten på nya tvådimensionella material har ökat i snabb takt sen upptäckten av grafen – ett supermaterial med bland annat hög ledningsförmåga och hållfasthet som gör det otroligt mångsidigt. För att skapa ultratunna material finns i huvudsak två tillvägagångssätt. I den ena metoden ”skalas” ett sammanhängande lager av molekyler eller atomer av från en större massa. Just grafen är ett exempel på den metoden. 

I den andra metoden byggs istället materialet molekyl för molekyl genom att på olika sätt skapa bindningar mellan molekylerna. Problemet med den metoden är att materialen ofta blir små, sköra och innehåller många defekter vilket begränsar potentiella tillämpningsområden.

Nu har ett internationellt forskarlag med forskare från bland annat Linköpings universitet, Deutsches Museum och det tekniska universitetet i München utvecklat en ny metod för att skapa tvådimensionella polymerer. Upptäckten möjliggör utvecklingen av nya ultratunna funktionella material.

Tillverkningen, eller polymeriseringen, av materialet sker i två steg. Forskarna använder molekyler som kallas fantrip som består av två olika kolväten – antracen och triptycen – samt fluoratomer. De specifika egenskaperna hos fantrip gör att molekylerna spontant kommer att arrangera sig i ett mönster. Det kallas för självorganisering. För att molekylerna ska arrangera sig på rätt sätt läggs de på en grafityta täckt med kolkedjor.

I nästa steg sker själva fotopolymeriseringen då mönstret ska fixeras med hjälp av ljus. Molekylerna träffas av en lila laser som exciterar elektronerna i det yttre elektronskalet. Då skapas starka, så kallade kovalenta bindningar mellan molekylerna. Resultatet blir en porös tvådimensionell polymer, en halv nanometer i tjocklek, som består av hundratusentals identiskt sammanlänkade molekyler – med andra ord, ett nästintill perfekt ordnat material, ner till minsta atom.

– Att skapa kovalenta bindningar mellan molekyler kräver mycket energi. Det vanligaste sättet att tillföra energi är att höja temperaturen, men det innebär också att molekylerna börjar röra på sig. Det fungerar inte med självorganiserande molekyler då mönstret skulle förstöras. Genom att istället använda ljus för att skapa kovalenta bindningar bevaras och fixeras mönstret precis som vi vill ha det, säger Markus Lackinger, forskningsledare på tekniska universitetet i München och Deutsches Museum.

I och med att fotopolymeriseringen utförs på en fast yta går det att följa processen på molekylär skala med sveptunnelmikroskop. För att bekräfta strukturen har forskargruppen simulerat hur det molekylära lagret ser ut i mikroskopet vid olika stadier av reaktionen. 

Jonas Björk är biträdande universitetslektor på avdelningen Materialdesign på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet. Han har använt högprestandaberäkningar på Nationellt superdatorcentrum i Linköping för att validera experimenten samt identifiera nyckelfaktorer som gör metoden lyckosam.

– Vi ser att simuleringarna stämmer överens med verkligheten ner i minsta detalj och kan även förstå varför vårt specifika system ger så fördelaktiga resultat. Nästa steg i forskningen är att se om metoden kan användas för att sammanlänka andra molekyler för nya tvådimensionella funktionella material. Genom att utveckla metoden kan vi i framtiden också styra och skräddarsy vilken typ av ultratunna material vi vill tillverka, säger Jonas Björk.

Polymeriseringen sker i vakuum vilket säkerställer att materialet inte blir förorenat. Den färdiga polymerfilmen klarar sig dessutom utanför vakuumet vilket är en fördel för framtida användningsområden. Markus Lackinger tror att det finns många tänkbara tillämpningar.

– Det mest uppenbara användningsområdet för materialet är filter eller membran. Men det kan också vara något helt annat och tillämpningar som vi inte har en aning om idag kan dyka upp, kanske av en slump. Det är tjusningen med grundforskning, säger Markus Lackinger. 

Forskningen finansierades av tyska forskningsstiftelsen, Vetenskapsrådet och regeringens strategiska satsning Avancerade funktionella material vid Linköpings universitet. Beräkningarna utfördes på Nationellt superdatorcentrum vid Linköpings universitet.


Vill du läsa artikeln? Klicka här!


Källa: Linköpings universitet


Skriv ut



Den trådlösa vibrationsgivaren Airius.
Den trådlösa vibrationsgivaren Airius.

SPM Instrument lanserar Airius trådlösa vibrationsgivare med kommunikation via LTE-M

Den trådlösa vibrationsgivaren Airius, som först lanserades med WiFi-kommunikation, introduceras nu i en 5G-förberedd version där mätdata överförs via LTE-M,...

Läs mer
Gloab550


Energijättars samarbete skapar expertis till elintensiv industri

Fortum eNext och Uniper Engineering är några av de första affärsverksamheterna...

Läs mer
Hexagon
Jonas Björk, biträdande universitetslektor vid Linköpings universitet.

Nytt ljus över tillverkningen av ultratunna polymerer

Ett internationellt forskarlag med forskare från bland annat Linköpings universitet,...

Läs mer
Caterpillars nya generation hjullastare är här. Först ut är Cat 980, Cat 980XE samt Cat 982 och Cat 982 XE.

Fler XE-hybridmaskiner när Caterpillar presenterar nya generationens hjullastare

Next Generation för Caterpillars hjullastare är här. Först ut är Cat 980,...

Läs mer
nya kondensatavskiljare i serien OSC 12-2500

Atlas Copcos nya OSC för rening av kompressorkondensat är effektiv och enkel att underhålla

De nya kondensatavskiljarna i serien OSC 12-2500 från Atlas Copco är enklare att hantera...

Läs mer
Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat ett stabilt polymert bläck med hög ledningsförmåga.

Nytt ledande bläck öppnar för nästa generations tryckta elektronik

Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat ett stabilt polymert bläck med hög...

Läs mer


Uppgraderade luftkompressorer optimerar bränsleeffektiviteten och ökar prestandan

Atlas Copco har länge kunnat erbjuda sina kunder dieseldrivna kompressorer med motorer...

Läs mer

Nu är Konecranes lyfttruckar ännu grönare

Konecranes har testat användningen av fossilfritt HVO100-bränsle i lyfttruckar vid sin...

Läs mer


Mest lästa














Finnsafety


Edmolift

Laser components












Unica Media AB © 2014
Org.nr 556961-2624
Unica Media AB
Hammarby Fabriksväg 23
120 30 Stockholm

Kontakt
info(at)unicamedia.se
Annonsering
annons(at)unicamedia.se