Borophene – 2D 재료 개발의 새로운 장

2015년에 처음으로 합성된 보로펜은 해부학적으로 얇은 결정질 2D 붕소 시트로 이미 전 세계 과학자들의 관심을 사로잡았습니다. '새로운 경이로운 재료'로 설명됨 고유한 이방성 유연성과 금속성으로 인해 배터리, 센서 및 촉매 화학에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다. 이 기사는 보로펜의 합성, 특성 및 잠재적 응용을 요약합니다.

합성 및 속성

그동안 그래핀은 단일 형태를 취하고 보로펜은 많은 격자 구성을 가질 수 있는 다형체입니다. 이론적으로 각각 다른 특성을 가진 1000가지 이상의 형태의 보로펜이 있을 수 있습니다. 보로펜은 고체 붕소 원자 소스를 사용하여 초고진공 조건에서 국제 과학자 그룹에 의해 처음 합성되었습니다. 원자적으로 세척된 은 기판은 보로펜 성장을 위한 잘 정의된 비활성 표면을 제공하는 데 사용되었습니다. 현장 전자적 특성화는 그들이 성공적으로 제작한 보로펜의 다형체가 금속성이며 이방성 주름이 있는 평면 구조를 형성했다는 이론적 예측을 뒷받침했습니다. 물결 모양의 구조는 나중에 보로펜의 매우 작은 굽힘 강성(즉, 단위 회전을 생성하는 데 필요한 모멘트)과 은에 대한 반응성에 기인합니다. 저자는 생성된 보로펜의 전기적 및 기계적 특성이 모두 매우 이방성임을 입증했습니다.

초전도성, 기계적, 전자적, 초전도성에 대한 수많은 연구가 진행되었습니다. 다양한 보로펜 다형체의 광학적 특성. 보로펜은 이제 금, 구리, 알루미늄을 비롯한 다양한 기질을 사용하여 제작되었습니다. 2019년에 확장 가능한 프로세스를 사용하여 독립형 보로펜이 처음으로 합성되었을 때 상당한 돌파구가 생겼습니다.

보로펜은 강하고 유연하며 투명합니다. . 그것은 열과 전기의 좋은 전도체이며 또한 초전도체입니다. 일부 컴퓨터 예측에 따르면 보로펜은 그래핀보다 높은 온도에서 초전도로 전환될 수 있습니다. 첫 번째 원칙 계산에 따르면 초전도 전이 온도는 borophene의 일부 다형체에 대해 24.7K만큼 높을 수 있으며, 이는 계산적으로 예측된 ​​8.1K 및 그래핀에서 실험적으로 관찰된 7.4K보다 훨씬 높습니다. 기계적 및 전기적 특성의 등방성은 그것을 조정할 수 있게 하며, 이것이 과학자와 엔지니어가 잠재적 응용에 대해 흥분하는 이유 중 하나입니다. 보로펜의 원자 구조를 특성화하고 제어하는 ​​방법을 이해하는 것은 원하는 특성을 가진 보로펜을 제품에 통합하는 데 중요합니다.

많은 연구자들이 보로펜의 고유한 특성에 대해 흥분하고 있지만 이 물질의 상업화에는 상당한 장벽이 있습니다. 첫째, 보로펜은 화학 반응성이 비교적 높기 때문에 주변 온도에서 조작하기 어려울 수 있습니다. 소량으로도 제작하기가 상대적으로 어렵습니다. 많은 2D 재료와 마찬가지로 보로펜은 산화되기 쉽습니다. 이것은 일반적으로 불리한 것으로 간주되지만 산화는 구조의 안정성을 개선하고 특성을 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

보로펜의 응용

보로펜의 고유한 특성을 활용하는 광범위한 응용 프로그램이 이미 등장하고 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

유연한 전자 제품: 2D 재료는 우수한 품질을 활용하도록 설계된 축소된 하이브리드 전자 장치의 개발을 가능하게 할 수 있습니다. 연구원들은 보로펜이 엘라스토머 기질로 옮겨지면 보로펜의 특이한 물결 모양 구조가 높은 신축성을 부여할 것이라고 믿습니다. 즉, 보로펜을 이용하여 변형 후 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 소자를 제작할 수 있다. 보로펜은 전도성이기 때문에 유연한 전자 장치에 매우 적합할 수 있습니다. 연구자들이 직면한 주요 과제 중 하나는 많은 2D 재료와 마찬가지로 보로펜이 외부 환경에 매우 민감하며 현재까지 전자 장치에 사용될 때 장기간 안정성과 신뢰성을 보여주지 못했다는 것입니다. 연구원들은 현재 전자 장치의 잠재적인 고장 모드를 이해하기 위해 2D 재료에서 개별 원자의 움직임을 포착하는 새로운 이미징 기술을 개발하고 있습니다.

배터리 전극: 리튬 이온 배터리는 전력 밀도가 높고 수명이 길기 때문에 전자 기기에서 보편적으로 사용됩니다. 최근 몇 년 동안 나트륨 이온 배터리는 운영 비용이 낮고 작동 안전성이 높아 점점 보편화되고 있습니다. 2D 재료의 독특한 형태는 빠른 이온 확산을 가능하게 하고 전극으로 사용하기에 적합한 후보가 됩니다. 보로펜은 저장 용량이 커서 전력 밀도와 전기화학적 성능이 매우 높기 때문에 리튬 이온 및 나트륨 이온 배터리용으로 매우 유망한 전극 재료입니다. 최근 연구에 따르면 보로펜의 저장 용량은 현재까지 조사된 모든 2D 재료 중 가장 높은 것으로 보고되었습니다.

촉매: 2D 재료는 넓은 표면적과 새로운 전자 상태를 포함하는 고유한 특성으로 인해 촉매로 사용하기에 큰 가능성을 보여줍니다. 보로펜은 수소 발생, 산소 환원 및 이산화탄소의 전기화학적 환원에서 촉매로 사용될 수 있습니다. 특히 이산화탄소의 전기화학적 환원은 기후변화 대응 노력에 기여할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 안정적이고 효율적인 촉매가 부족하여 진행이 더뎠습니다.

수소 저장: 수소는 모든 연료의 질량당 에너지가 가장 높습니다. 최근 몇 년 동안, 에너지 저장에 대한 수요와 수소 및 연료 전지 기술의 발전으로 인해 수소 저장 시스템에 대한 연구가 점점 보편화되고 있습니다. 보로펜은 부분적으로 붕소 원자의 낮은 질량으로 인해 인상적인 수소 저장 용량을 갖는 것으로 나타났습니다. 붕소 시트에 대한 분자 수소의 결합 에너지는 그래핀보다 더 강합니다.

가스 센서: 보로펜의 가스 흡착 특성은 에탄올, 일산화탄소, 포스겐 및 포름알데히드를 포함한 다양한 가스에 대한 가스 감지 응용 분야에 적합합니다. 2D 재료는 고유한 전자 구조와 큰 표면적 대 부피 비율로 인해 가스 센서 개발에 대한 상당한 잠재력을 보여주었습니다.

결론

2D 재료의 개발은 오늘날 재료 연구에서 가장 흥미로운 분야 중 하나입니다. 그래핀 합성 후 10년이 조금 넘은 보로펜 합성은 새로운 2D 재료 개발을 위한 청사진으로 간주될 수 있습니다. 보로펜의 개발에는 제조 공정의 확장과 같은 상당한 기술적 과제가 남아 있지만 전례 없는 고유한 품질은 유연한 전자 제품, 배터리 및 센서 기술의 새로운 지평을 열어줄 것입니다.