Eksfoliacja monowarstw – otwieranie drogi do przemysłowych rozwiązań

Prof. Coleman najpierw pokazał, jak uzyskać w ten sposób nanomateriały, wytwarzając grafen – monowarstwy węgla o grubości jednego atomu i wyjątkowych właściwościach elektronowych. Pokazał, że poddanie masy grafitu działaniu energii dźwiękowej w cieczy, powoduje „złuszczanie się” monowarstw węgla. W ten sposób w cieczy dochodzi do dyspersji monowarstwowych płatków grafenu. W 2010 r. profesor otrzymał grant dla początkujących naukowców ERBN umożliwiający mu rozwinięcie nagradzanych już wcześniej badań i pokazanie ich potencjału. Aby lepiej ten potencjał zobrazować, wyobraźmy sobie, że przerwanie ołówkiem cienkiej folii spożywczej z grafenu możliwe byłoby tylko po postawieniu na tym ołówku słonia.

Prof. Coleman wraz z zespołem stosuje teraz tę technologię do wielu innych ważnych dla przemysłu materiałów, na przykład poprzez eksfoliację siarczku tantalu (metaliczny przewodnik); azotku boru (izolator); dwusiarczku molibdenu (MoS2, półprzewodnik). To podstawowe surowce w nanoelektronice. Znaczącym jest też to, że proces odbywa się w fazie ciekłej. Pozwalając zawieszonym monowarstwom osiadać na powierzchni i tworzyć nieprzerwaną warstwę, zespół wytwarza nakładane na siebie warstwy przewodnika, izolatora oraz półprzewodnika o kontrolowanej grubości i precyzyjnie zdefiniowanych właściwościach elektrycznych czy optycznych, z których to warstw można masowo produkować przeróżne urządzenia, takie jak półprzewodniki i detektory.

Możliwości otwierane przez te badania nie ograniczają się jednak tylko do elektroniki. Monowarstwy dwusiarczku molibdenu są dwudziestokrotnie wytrzymalsze od stali, więc można jest używać do wzmacniania innych materiałów, jak np. tworzyw sztucznych, które też poddawane są obróbce w ciekłych rozpuszczalnikach. Prof. Coleman wraz z zespołem udowodnił to tworząc połączony osad z niewielkiej ilości MoS2 i powszechnie stosowanego tworzywa polimerowego, zwiększając jego wytrzymałość ponad dwukrotnie.

Tworzywa sztuczne są wszechobecne w elementach konstrukcyjnych, na przykład w przemyśle motoryzacyjnym. Podwojenie ich wytrzymałości oznacza zatem, iż potrzebna będzie połowa normalnie zużywanej objętości, co z kolei obniży ilość ropy potrzebnej do produkcji tworzyw, a także zmniejszy ich wagę, redukując w ten sposób emisje spalin samochodowych. Z tego właśnie względu badania prof. Colemana określa się mianem przełomowych – jeśli w ich ramach wykazane zostaną realne zastosowania przemysłowe, to potencjał przyjęcia się ich wyników staje się przeogromny.

Jeszcze przed swoim wykładem na konferencji TEDx prof. Coleman stwierdził: „Bardzo się cieszę z możliwości podzielenia się najnowszymi osiągnięciami w materiałoznawstwie z uczestnikami konferencji TEDx. Odkrycie grafenu otworzyło ścieżkę do niezliczonych, możliwych zastosowań w realnym świecie i myślę, że perspektywa tworzenia dwuwymiarowych monowarstw z różnorodnych materiałów okaże się równie ekscytująca dla uczestników TEDx, jak dla mnie!”.

Prof. Coleman omówi nowe osiągnięcia na sesji ERBN o godz. 14.15. w ramach konferencji TEDx Brussels.