supermaterialer bloghoved

Selvorganiserende kvanteprikker (hvis man skal have noget gjort må man gøre det selv)

HURRA! Vi har for første gang fået et atom-tyndt lag --- et såkaldt todimensionalt materiale - til at strukturere sig selv i ufatteligt tætte strukturer. 2 nanometer kvanteprikker, med en justerbar afstand på mellem 4 og 8 nm. Det er dælme småt, og så skete det (næsten) af sig selv. Vi fik publiceret dette i Nature Communications i fredags (yey).

Selvorganisering er nemt og svært. Det nemme er at man "bare" skal definere et sæt spilleregler - en "incitamentstruktur" - og vælge de rigtige byggeklodser - så kan man få ting til at bygge sig selv. I vores kroppe har vi en helt fantastisk (og ganske kompliceret) samling regler og byggeklodser, der sørger for at vores kroppe vokser og fungerer - at vores biologiske hylster organiserer og reorganiserer sig selv på nanoniveau. På en måde er hver og en af os det ultimative eksempel på selv-organisering.

Illustration: diverse

*(Her en række eksempler fra google images på selvorganiserende systemer - som man kan se er selv-organisering noget der optræder i meget forskellige systemer). *

Samtidigt har vi forskere inden for biomedicin og nanoteknologi forsøgt at bruge samme strategi - for der er mange ting og sager det ville være lækkert at slippe for at bygge, og istedet få tingene til at samle sig selv.

Det handler om at gøre det til en win-win situation både for den enkelte komponent såvel som for hele systemet. Det er grunden til at de fleste faste stoffer findes i krystalform - at atomerne "får noget ud af" at danne en krystal, men også at systemets totale energi bliver lavere.

Man kan groft sige at selv-organiserings valuta er "fri energi". Måske har du hørt udtrykket : at naturen altid forsøger at minimere energien? Indenfor termodynamikken taler man om Gibbs fri energi, der knytter to vigtige størrelser, entalpien og entropien sammen - og uden at gå i for meget detajle (læs mere her), er hovedbudskabet at selvorganisering er en kamp mellem processer der skaber mere henholdsvis mindre orden,

De processer der som slutresultat reducerer Gibbs fri energi er dem der "vinder". Hvor hurtigt det så går kan afhænge af om der er en energi-barriere der skal overvindes før systemet kan komme ned i den lavere energitilstand. Tænk på de klassiske tre M'er for mord-efterforskning - der skal være et Mordvåben (de rigtige stoffer skal være til stede), et Motiv (Gibbs fri energi skal blive mindre), og der skal være Mulighed (barrieren må ikke være for høj).

Hvis man kan ramme den rigtige temperatur, og have de rigtige byggeklodser med - og måske endda "tunet" byggeklodserne helt rigtigt, kan vi få materialer til at danne "superstrukturer". Det vil sige at de ikke bare er ordnede på atomar skala - men også på nanoskala.

Udover at det er enormt sjovt, interessant, cool og spændende - er dette også en måde at revolutionere den måde vi laver lagringsmedier og mikrochips på - og meget andet teknologi. Industrien der laver informationsteknologien - ledet af Intel, Motorola, IBM og andre - har udviklet de mest fantastiske "skrivemaskiner" - der ved hjælp af en helt masse tricks kan få lys med bølgelængde på 193 nm til at definere strukturer der er 10 gange mindre. Det svarer til at skrive sin underskrift med en malerrulle. Hver generation af "litografiske maskiner" koster mere og mere exorbitante (fint ord for hundedyre) beløb, og skriften på væggen (pun intended) er klar. Der skal ske noget nyt.

Så derfor er selvorganisering ikke bare en sjov hobby for nanoforskere.

Det har vist sig at være yderst bøvlet at få to-dimensionale materialer til at selv-organisere. Når lagene er så tynde er "kommunikationen" på tværs ikke særlig god. Det går fint med at få strikket gitteret rigtigt sammen på atomart niveau, men at få ordnede strukturer på en større skala sker ikke.

Luca Camilli fra min gruppe på DTU var interesseret i at dyrke to-dimensionelle krystaller, og tog til Århus Universitet. De verdenskendte overfladefysikere fra Liv Hornekærs gruppe er specialister i scanning tunnel mikroskopi (en af verdens kraftigste mikroskopiformer), som de blandt andet har brugt til at studere hvordan grafen krystaller kan dyrkes på mange slags metaller, for eksempel iridium. Man opvarmer en kulstof-holdig gas (f.eks. metan eller ethylen) i nærheden af iridium overladen, og så opbygges grafen krystallen af sig selv. Igen er det Gibbs fri energi, der afgør hvad der ender med at ske.

(Illustration af hvordan grafen - et atomtyndt lag af kulstofatomer - kan dyrkes som en krystal ved at opvarme et metal - typisk kobber - i en atmosfære af metan eller anden kulstof holdig gas)

Nu fandt Luca og hans AU-kolleger imidlertid ud af at når de opvarmede en *blanding * flere gasser - borazin (H6B3N3) og ethylen (C2H4) - i nærheden af en Iridium overflader, opstod der selv-organiserede strukturer i den atomtynde film - periodiske gitre af små 2 nanometer store øer. Det tog en del tid og arbejde før de fandt frem til at pletterne er ren "grafen" - hvilket gør dem til kvanteprikker, idet grafen er elektrisk ledende. Kvanteprikker er elektron-øer som har deres eget energispektrum - en slags kunstigt atom - og kan bruges til en række forskellige anvendelser som biosensorer, displays, elektronik og quantum computing.

*De nederste to billeder er STM (scanning tunnel mikroskop) billeder af kvanteprikkerne (gule) omgivet af en legering af kulstof, bor og nitrogen. Hele laget er kun 1 atom tyndt, men takket være iridium overfladen kan mønsteret af grafen kvanteprikker dannes og styres. Kvanteprikkerne er altid omkring 2-3 nm i størrelse, men perioden kan varieres ved at skrue på tryk og temperatur under dyrkningen. * (Illustration Daniel Halkjær og Peter Bøggild)

De fandt også ud af at de ved at kontrollere temperatur samt koncentration af gasserne kunne lave pæne gitre af de blot 2 nanometer små kvanteprikker, med perioder helt ned til 4-5 nanometer. Denne tæthed svarer til ca. 26 terabyte per kvadrattomme.

Nu meldte spørgsmålet sig så: hvorfor virker selvorganisering i dette system? Vi fik hjælp af en berømt forsker fra IBM TJ Watson Research Center i New York, Jerry Tersoff, der foreslog at metal-underlaget --- iridium krystallen --- måske ikke bare leverede en "bane" de kemiske processer kunne udspille sig på, men bidrog aktivt til løjerne, og det fik det hele til at falde på plads. Det vi tror nu er at Iridium - som har en tendens til vekselvirke stærkt med grafen - "hjælper" systemet med at finde den konfiguration der mindsker den samlede energi mest muligt.

Men det er først nu det bliver spændende. For når man jager svaret på et *godt *spørgsmål, ender man som regel med ... flere spørgsmål:

  • kan vi lave andre strukturer end hexagonale gitre?
  • kan vi løfte de atomtynde, selvorganiserende lag af iridium overfladen?
  • kan vi gøre det med andre metaller?
  • hvor godt kan vi styre størrelsen og perioden af de selvorganiserende strukturer?
  • kan vi lave forskellige områder med forskellige gitre?
  • hvordan er de elektriske og optiske egenskaber, og hvordan kan de udnyttes til praktiske formål?

... to be continued.

Peter Bøggild er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten