Onderzoekers hebben een nieuwe familie van nanomaterialen gecreëerd door fosfor te legeren met arseen, materiaallinten van één atoom dik die zeer geleidend zijn en ideale kandidaten zijn voor de volgende generatie batterijen, zonnecellen en kwantumcomputers. Fosfor geleidt elektriciteit niet zo goed, wat betekent dat het op zichzelf weinig nut heeft in praktische toepassingen en apparaten. Onderzoekers van het University College London (UCL) ontdekten echter dat fosfor nog nuttiger wordt wanneer het wordt gelegeerd met arseen.
Adam Clancy, een van de corresponderende auteurs van de studie, zei: "Ons laatste werk in het legeren van fosfor-nanolinten met arseen opent veel meer mogelijkheden - vooral om de energieopslag in batterijen en supercondensatoren te verbeteren, en om nabij-infrarooddetectoren die in de geneeskunde worden gebruikt te verbeteren."
Met nanolinten bedoelen de onderzoekers fosforlinten van één atoom dik, of beter gezegd fosforeen, een tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit een enkele laag kunstmatig gemaakte gelaagde zwarte fosfor, de meest stabiele vorm van fosfor. In 2019 ontdekten onderzoekers van de UCL het potentieel van fosfornanolinten. Ze ontdekten dat het toevoegen van een laag fosfor-nanolinten aan peroxide-zonnecellen ervoor zou kunnen zorgen dat de cellen meer energie van de zon zouden kunnen opvangen.
In het huidige onderzoek introduceerden ze ‘sporenhoeveelheden’ arseen om de geleidbaarheid van fosfor te verbeteren. Kristallen gevormd uit fosfor- en arseenvlokken worden gemengd met lithium opgelost in vloeibare ammoniak van -58 ° F (-50 ° C). Verwijder na 24 uur de ammoniak en vervang deze door een organisch oplosmiddel. Vanwege de atomaire structuur van de vlokken kunnen lithiumionen slechts in één richting bewegen en niet zijdelings, waardoor er scheuren ontstaan in linten. Onderzoekers hebben een nieuwe familie nanomaterialen gecreëerd: nanolinten van arseen-fosforlegeringen (AsPNR's).
Ze ontdekten dat nanolinten van een arseen-fosforlegering zeer geleidend zijn boven 130 K (-226 °F/-140 °C), terwijl ze de nuttige eigenschappen van zuivere fosfornanolinten behouden. Een belangrijk kenmerk van AsPNR’s is hun extreem hoge ‘gatenmobiliteit’. Gaten zijn de omgekeerde partners van elektronen bij elektronentransport, dus het vergroten van de gatenmobiliteit (een maatstaf voor hoe snel gaten door een materiaal bewegen) kan de efficiëntie van de stroomoverdracht helpen vergroten.
Momenteel moeten fosfornanolinten worden gemengd met geleidende materialen zoals koolstof om te worden gebruikt als anodematerialen in lithium-ion- of natrium-ionbatterijen. De onderzoekers zeiden dat omdat AsPNR's de energieopslagcapaciteit van de batterij en de laad- en ontlaadsnelheid kunnen verbeteren, dit de behoefte aan koolstofvullers kan elimineren. Bovendien zeggen ze dat het gebruik van AsPNR’s in zonnecellen de ladingsstroom door het apparaat zal verbeteren, waardoor de efficiëntie van de cellen toeneemt.
"De arseen-fosforlinten zijn ook magnetisch, en we denken dat het magnetisme afkomstig is van de atomen langs de randen, waardoor ze mogelijk ook bruikbaar zijn in kwantumcomputers", zei Clancy. "Meer in het algemeen laat deze studie zien dat legering een krachtig hulpmiddel is voor het beheersen van de eigenschappen van deze groeiende familie van nanomaterialen, en daarmee hun toepassingen en potentieel."
De onderzoekers zeggen dat hun AsPNR's op grote schaal in een vloeistof kunnen worden geproduceerd, die vervolgens tegen lage kosten in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.