Het is onderzoekers uit Duitsland, Polen en Korea gelukt om vrijstaande metalen membranen te vervaardigen, die bestaan uit één atoomlaag en onder normale omgevingsomstandigheden stabiel zijn. De inspiratie vonden ze onder meer in grafeen, dat bestaat uit één atoomlaag koolstof.
Grafeen heeft speciale mechanische en elektronische eigenschappen. Het succes en de brede toepassingsmogelijkheden hebben onderzoekers in de hele wereld geïnspireerd om te zoeken naar meer tweedimensionale materialen. Boriumnitride en membranen van wolfram en selenium zijn voorbeelden van lagen van slechts één atoom.
Deze materialen hebben een kristalstructuur, die het element van twee dimensies al in zich draagt. Ze bestaan uit stabiele atoomlagen die intern slechts door zwakke krachten worden samengehouden en daardoor relatief gemakkelijk zijn te scheiden.
Structuur van membranen
Bij metalen is dit anders. Deze worden gekenmerkt door een sterke driedimensionale kristalstructuur. Het bestaan van vrijstaande, twee dimensionale metalen membranen lijkt daarom onwaarschijnlijk. Onderzoekers van het Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), de Technische Universität Dresden, de Poolse academie der wetenschappen (PAN), het Institute of Basic Sciences Korea (IBS) en de Sungkyunkwan University in Korea hebben bewezen, dat dit toch mogelijk is.
Ze gebruiken de poriën van een grafeenlaag als een val voor ijzeratomen, die zich over deze laag bewegen, aangestoten door de elektronenstralen uit een transmissie elektronenmicroscoop. De onderzoekers konden aantonen, dat een relatief groot aantal ijzeratomen in de poriën wordt gevangen en zich dan rangschikt tot een tweedimensionaal kwadratisch kristalrooster.
In vergelijking met driedimensionale ijzerkristallen hebben deze membranen van slechts één atoomlaag ijzer een beduidend hoger magnetisch moment en een grotere roosterconstante, iets wat door theoretische modellen wordt ondersteund.
Betekenis
Het resultaat is van belang omdat is aangetoond dat materialen, waarvan de kristalstructuur niet als laagstructuur is gevormd, toch onder normale omgevingsomstandigheden als stabiele dunne membranen kunnen bestaan. De methode om grafeen als structureringssjabloon bij de preparatie te gebruiken, zou als voorbeeld kunnen dienen en de weg kunnen openen naar meer nieuwe tweedimensionale membranen.
De toepassing van de daarbij optredende, gewijzigde eigenschappen vormen nog een drijfveer voor verder onderzoek op dit gebied. Het voorbeeld van ijzer heeft aangetoond, dat de magnetische eigenschappen in tweedimensionale membranen beduidend sterker zijn, zodat ze voor het gebruik als magnetisch opslagmedium interessant zijn.
