Nya material kan bidra till att lösa många framtidsfrågor – energilagring, bättre katalys och vattenrening är bara några exempel. Nu arbetar forskare i Linköping och Uppsala med att ta fram nästa generation atomtunna materiallager, 2D-material, och skapa en universalformel för hur man finner ännu fler.
Projektanslag 2020
The 2D-materials Frontier
Huvudsökande:
Professor Johanna Rosén
Medsökande:
Linköpings universitet
Per Persson
Fredrik Heintz
Uppsala universitet
Maria Strömme
Lärosäte:
Linköpings universitet
Beviljat anslag:
29 miljoner kronor under fem år
Grafen, det atomtunna lagret av rent kol, var det första så kallade 2D-materialet. Drygt femton år efter upptäckten har forskare världen över lyckats skapa mer än hundra sådana extremtunna material, med bara ett eller ett fåtal lager atomer. I de flesta fall tillverkas de genom klyvning av en kristall, men i Linköping används en annan metod. Där utgår forskarna från en typ av material som de arbetat med i många år, så kallade MAX-faser. De består av lager på lager av olika atomslag, någon övergångsmetall varvad med kol eller kväve. Johanna Rosén, professor vid Linköpings universitet, beskriver det som tårtor där hon och hennes kollegor har ett sätt att ta bort sylten.
– Genom kemisk etsning kan vi ta bort vissa delar av materialen. Det vi får kvar är som en hög av 2D-material staplade på varandra, som går lätt att dela på. Alla material har kol gemensamt, men metallen kan man byta ut så att man kan skräddarsy egenskaperna.
De 2D-material som tas fram så här kallas MXener (uttalas ”maxener”). De upptäcktes för tio år sedan och fältet växer fortfarande mycket. Men det finns också tusentals material som inte är MXener men som ändå är lagrade. Nu leder Johanna Rosén ett projekt med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse där forskare vid Linköpings och Uppsala universitet ska undersöka vilka av de materialen som går att etsa. Förhoppningen är att de ska bli nästa generation 2D-material.
AI, supermikroskop och materialanalys i samma projekt
Projektet vilar på tre ben: avancerad elektronmikroskopi, datavetenskap och materialanalys. I Linköpings kraftfulla elektronmikroskop är det möjligt att bearbeta materialen samtidigt som man studerar dem.
– Det är superhäftigt – vi kan till exempel släppa in gas eller hetta upp materialet samtidigt som vi iakttar exakt var atomerna sitter och hur stabilt provet är, säger Johanna Rosén.
Datadelen av projektet finns också i Linköping. Maskininlärning och artificiell intelligens ska göra det möjligt att analysera tusentals material parallellt och bedöma vilka som bör kunna etsas till 2D-form. Det kräver att nya metoder och algoritmer utvecklas för just den här typen av studier. När forskarna i Linköping väl har identifierat och lyckats skapa ett nytt material, skickas det till kollegorna i Uppsala för tester.
– Det mesta vi gör i projektet är grundforskning, där vi studerar material och försöker förstå hur olika egenskaper uppkommer. Men vi vill också se hur de fungerar i praktiken. Det är en jätteviktig del av projektet, att se om vi faktiskt kan gå från ax till limpa och göra våra material praktiskt användbara, säger Johanna Rosén.
De kan till exempel bidra till mer miljövänlig energilagring i batterier och superkondensatorer, fungera som katalysatorer eller användas vid läkemedelsutveckling. Andra möjliga användningsområden är vattenrening och avsaltning, där det krävs ämnen som har stor yta relativt sin vikt.
Viktigt att hitta de avgörande egenskaperna
Redan har forskargruppen genom teoretiska simuleringar gjort en första analys av 40 000 lagrade material som kanske kan gå att etsa till 2D-form. Utgångspunkten var öppna databaser på nätet med hundratusentals material, som har sorterats i Linköpings superdator.
– I ett första steg gör man ganska grova sorteringar där datorn väljer bort material med uppenbart olämpliga egenskaper. Som att atomerna är placerade så att det inte skulle gå att etsa, eller att de är giftiga, radioaktiva, eller bryts i konfliktområden. Det måste finnas ett miljö- och hållbarhetstänk i allt vi gör.
Nyligen har gruppen för första gången lyckats att med kemisk etsning skapa ett 2D-material som inte var en MXen.
– Konkurrensen är väldigt stor. Framför allt i Kina läggs så många arbetstimmar på detta så man kan bli stressad bara av att tänka på det. Men jag hoppas att det här projektet ska ge oss en ledande position inom materialutveckling på det här området. Att vi har kommit så långt som vi gjort redan beror just på att vi blandar teori och experiment inom samma miljö.
Nu gäller det att lista ut vilka egenskaper som är mest relevanta. Hur hårt atomerna binder till varandra är en första faktor, men långtifrån den enda.
– Det här funderar vi mycket på, vilka egenskaper som bäst förutsäger om etsningen kommer att fungera. Vi kan inte testa att etsa tusentals material. Vi måste ha väldigt bra simuleringar som säger att något verkar lovande – sedan kan vi gå ner i labbet och lägga tid på det.
Om det ändå inte fungerar, är det bara att gå tillbaka till beräkningarna igen. Vilka parametrar blev fel? Vartefter kunskapen ökar, kan den artificiella intelligensen matas med ny information och göra alltmer korrekta bedömningar.
– Vi måste skapa modeller som går att generalisera. När vi hittar ett nytt lagrat material, ska vi kunna titta på det och veta om det kommer att fungera som 2D-material eller inte. Det är projektets huvudmål, säger Johanna Rosén.
Text Lisa Kirsebom
Bild Anna Nilsen, Igor Zhirkov
