Detaily článku

Nové třídy látek pro nanomateriály

Chemici z Goetheho univerzity ve Frankfurtu nad Mohanem vyvinuli dvě nové třídy materiálů v oblasti nanomateriálů a společně se svými partnery z univerzity v Bonnu je zkoumali: poprvé se jim podařilo vyrobit nanokouli z atomů křemíku a stavební kámen pro krystal polovodičů křemíku a germania podobný diamantu. Tyto dvě nové třídy materiálů mají potenciální využití při miniaturizaci počítačových čipů, v obrazovkách s vysokým rozlišením pro chytré telefony a v solárních článcích a světelných diodách s nejvyšší účinností.

Datum: 17.9.2021

nanopolovodiče

Nejnovější generace počítačových čipů mají velikost jen několik nanometrů a díky postupné miniaturizaci jsou stále úspornější a výkonnější. Vzhledem k tomu, že leptací procesy tradičně používané při výrobě čipů stále více narážejí na své limity, je nezbytný vývoj nových nanostrukturních polovodičových materiálů. Takové nanopolovodiče hrají také ústřední roli při přeměně elektrické energie na světlo a naopak.

Týmu z Goetheho univerzity ve Frankfurtu pod vedením Matthiase Wagnera se nyní podařilo syntetizovat molekulární nanokoule z 20 atomů křemíku, tzv. silafullerany. Druhou novou třídou materiálů jsou krystalické stavební bloky z 10 atomů křemíku a germania, které mají strukturu podobnou diamantu. Rozhodující poznatky o elektronické struktuře nových sloučenin přinesly počítačové teoretické analýzy výzkumné skupiny Stefana Grimmeho v Bonnu.

20 atomů křemíku v silafulleranu tvoří dodekaedr, těleso složené z pravidelných pětiúhelníků. Je v něm uzavřen chloridový iont. V každém rohu křemíkového tělesa vystupuje ven atom vodíku. Doktorand Marcel Bamberg, který molekulu syntetizoval, vysvětluje: "Náš silafulleran je dlouho hledaným prapůvodcem této nové třídy látek. Atomy vodíku lze snadno nahradit funkčními skupinami, čímž silafulleran získá různé vlastnosti." Bonnský kvantový chemik Markus Bursch dodává: "Cílenou tvorbu potenciálně užitečných vlastností podporujeme teoretickými předpověďmi jejich výsledných účinků."

Stavební kámen pro slitiny křemíku a germania: Na obrázku je řez křemíko-germaniovým adamantanem syntetizovaným ve Frankfurtu (zde bez substituentů). Modrá: křemík, purpurová: germanium.

Adamantan křemíku a germania představuje stavební kámen směsné slitiny křemíku a germania. Benedikt Köstler, který tyto sloučeniny vyvíjí v rámci své doktorské práce, říká: "Nedávné studie ukázaly, že slitiny křemíku a germania jsou v důležitých oblastech použití lepší než čisté křemíkové polovodiče. Výroba takových slitin je však velmi obtížná a často se získávají směsi různého složení. Nám se podařilo vyvinout jednoduchý způsob syntézy základního stavebního kamene slitin křemíku a germania. Náš křemíko-germaniový adamantan proto umožňuje zkoumat důležité chemické a fyzikální vlastnosti křemíko-germaniových slitin na molekulárním modelu. V budoucnu jej chceme využít také k výrobě slitin křemíku a germania s bezchybnou krystalovou strukturou."

Uhlík, který je chemicky velmi podobný prvkům křemík a germanium, se vyskytuje ve srovnatelných formách jako obě nové třídy látek: Duté koule z atomů uhlíku ("fullereny") odpovídají silafulleranům a diamanty tvořené uhlíkem jsou složeny z adamantanových podjednotek. Fullereny mimo jiné zvyšují účinnost organických solárních článků, mohly by zvýšit bezpečnost baterií elektromobilů a slibují pokrok v oblasti vysokoteplotní supravodivosti. Nanodiamanty mají také širokou škálu využití, od farmaceutických výrobků až po výzkum katalýzy.

V této souvislosti výzkumníci z Frankfurtu a Bonnu s napětím očekávají, v jakých oblastech se jejich silafullerany a křemíko-germaniové adamantany prosadí. Matthias Wagner říká: "Již nyní je možné pomocí nanostrukturovaného křemíku a germania ve formě kvantových teček generovat světlo ve všech barvách viditelného spektra, což se testuje pro displeje počítačů a mobilních telefonů a také v telekomunikacích. Kromě chemicko-technického potenciálu mě osobně fascinuje vysoká symetrie našich sloučenin: Například náš silafulleran je jedním z pěti platónských těles a má nadčasovou krásu."

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Goethe University Frankfurt

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.