Yhden atomikerroksen paksuisesta grafeenista on povattu uutta  tulevaisuuden supermateriaalia. Nyt sen on haastamassa Marburgin yliopiston ja Aalto-yliopiston tutkijoiden löytämä bifenyleeni, jota voidaan käyttää  esimerkiksi litiumioniakuissa grafeenin sijasta. Saksalaisen Marburgin yliopiston lisäksi kaksi Aalto-yliopiston tutkimusryhmää osallistui materiaalin atomirakenteen varmistamiseen ja sen ominaisuuksien selvittämiseen.

Uusi materiaali on yhden atomin paksuinen ja tasomainen kuten grafeeni, mutta se koostuu hiiliatomien muodostamista neli-, kuusi- ja kahdeksankulmioista. Tutkijat kuvasivat rakenteen atomivoimamikroskoopilla. Aiemmin vastaavanlaisten rakenteiden olemassaolo on voitu osoittaa vain tietokonemallinnuksilla.

Rakenteensa lisäksi uusi, bifenyleeniksi nimetty materiaali poikkeaa myös sähköisiltä ominaisuuksiltaan grafeenista. Päinvastoin kuin grafeeni se käyttäytyy metallin tavoin myös nanomittakaavassa. Bifenyleenin rakennenauhat ovat metallinomaisia jo 21 atomin levyisinä, kun taas grafeeni on samassa koossa puolijohde.

Kaksi Aalto-yliopiston tutkimusryhmää osallistui materiaalin atomirakenteen varmistamiseen ja sen ominaisuuksien selvittämiseen. Professori Peter Liljerothin johtama ryhmä mallinsi materiaalin ominaisuuksia kokeellisesti. Professori Adam Fosterin johtama ryhmä perehtyi puolestaan materiaalin erikoisiin sähköisiin ominaisuuksiin tietokonesimulaation avulla.

Bifenyleenia voidaan valmistaa kemiallisesti antamalla sopivien lähtöainemolekyylien reagoida erittäin sileällä kultapinnalla. Reaktion ensimmäisessä vaiheessa molekyylit muodostavat ketjuja, jotka koostuvat toisiinsa kytkeytyneistä kuusikulmaisista bentseenirenkaista. Seuraavassa vaiheessa ketjut yhdistyvät muodostaen neliötä ja kahdeksankulmiota.

Reaktiolle on ominaista ketjujen kiraalisuus: ne esiintyvät kahdessa eri muodossa, jotka ovat toistensa peilikuvia, ikään kuin oikea ja vasen käsi. Samanmuotoiset kiraaliset ketjut muodostavat itsejärjestäytyneitä molekyylisaarekkeita ennen reaktiota. Tämä on ratkaisevaa uuden hiilimateriaalin muodostumiselle – jos kaksi erityyppistä ketjua reagoi, syntyy tavallista grafeenia.

Tutkijat jatkavat työtä tuottamalla suuremman määrän uutta materiaalia selvittääkseen sen käyttömahdollisuuksia laajemmin. ”Olemme vakuuttuneita siitä, että tätä uutta valmistusmenetelmää voidaan käyttää myös muiden uudenlaisten hiilirakenteiden valmistamiseen”, arvioi Aalto-yliopiston professori Peter Liljeroth sanoo.

Lisää: Q.T. Fan, L.H. Yan, M.W. Tripp, O. Krejči, S. Dimosthenous, S.R. Kachel, M.Y. Chen, A.S. Foster, U. Koert, P. Liljeroth, J.M. Gottfried, Biphenylene Network: A Nonbenzenoid Carbon Allotrope, Science 372/2021 (LINKKI)

Kuva: Uuden hiilimateriaalin, bifenyleenin, rakenne. Kuvan yläosa esittää hiiliatomien säännönmukaisesti muodostamat neli-, kuusi- ja kahdeksankulmiot. Alaosa on atomivoimamikroskooppikuva keinotekoisesti valmistetusta materiaalista. Kuva: Marburgin yliopisto, Aalto-yliopisto.