Ein Durchbruch bei der Entschlüsselung des Wachstumsprozesses von hexagonalem Bornitrid (hBN), einem 2D-Material, und seinen Nanostrukturen auf Metallsubstraten könnte den Weg für effizientere Elektronik, sauberere Energielösungen und eine umweltfreundlichere chemische Herstellung ebnen, so eine neue Studie der Universität von Surrey.
Nur ein Atom dick, hBN – oft als „weißes Graphen“ bezeichnet – ist ein ultradünnes, superelastisches Material, das elektrische Ströme blockiert, extremen Temperaturen standhält und chemischen Schäden widersteht. Seine einzigartige Vielseitigkeit macht es zu einer unschätzbar wertvollen Komponente in der modernen Elektronik, wo es empfindliche Mikrochips schützen und die Entwicklung schnellerer, effizienterer Transistoren ermöglichen kann.
Um noch einen Schritt weiter zu gehen, haben Forscher auch die Bildung von nanoporösem hBN nachgewiesen, einem neuartigen Material mit strukturierten Hohlräumen, das eine selektive Absorption, fortschrittliche Katalyse und verbesserte Funktionalität ermöglicht und seine potenziellen Umweltanwendungen erheblich erweitert. Dazu gehört die Erkennung und Filterung von Schadstoffen sowie die Verbesserung fortschrittlicher Energiesysteme, einschließlich Wasserstoffspeicherung und elektrochemischer Katalysatoren für Brennstoffzellen.
Dr. Marco Sacchi, Hauptautor der Studie und außerordentlicher Professor an der School of Chemistry and Chemical Engineering in Surrey, sagte:
„Unsere Forschung wirft Licht auf die Prozesse auf atomarer Ebene, die die Bildung dieses bemerkenswerten Materials und seiner Nanostrukturen steuern. Durch das Verständnis dieser Mechanismen können wir Materialien mit beispielloser Präzision entwickeln und ihre Eigenschaften für eine Vielzahl revolutionärer Technologien optimieren.“
In Zusammenarbeit mit der österreichischen Technischen Universität Graz (TU Graz) kombinierte das Team – unter der Leitung von Dr. Marco Sacchi und mit der theoretischen Arbeit von Dr. Anthony Payne und Dr. Neubi Xavier – Dichtefunktionaltheorie und mikrokinetische Modellierung, um das Wachstum abzubilden Prozess von hBN aus Borazinvorläufern, der wichtige molekulare Prozesse wie Diffusion, Zersetzung, Adsorption und Desorption, Polymerisation und Dehydrierung untersucht. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, ein Modell im atomaren Maßstab zu entwickeln, das das Wachstum des Materials bei jeder Temperatur ermöglicht.
Die Erkenntnisse aus den theoretischen Simulationen stimmen eng mit experimentellen Beobachtungen der Grazer Forschungsgruppe überein und schaffen die Voraussetzungen für eine kontrollierte, qualitativ hochwertige Produktion von hBN mit spezifischem Design und Funktionalität.
Dr. Anton Tamtögl, leitender Forscher des Projekts an der TU Graz, sagte:
„Frühere Studien haben weder alle diese Zwischenprodukte noch einen so großen Parameterraum (Temperatur und Partikeldichte) berücksichtigt. Wir glauben, dass es nützlich sein wird, das Wachstum von hBN durch chemische Gasphasenabscheidung auf anderen metallischen Substraten sowie die Synthese nanoporöser oder … funktionalisierte Strukturen.“
Die Studie wurde veröffentlicht in KleinDie Forschung wird vom britischen HPC Materials Chemistry Consortium und dem Österreichischen Wissenschaftsfonds unterstützt.
