Ett atomlager guld – LiU-forskare skapar guldén

För första gången har forskare lyckats skapa ark av guld som endast är ett atomlager tjockt. Materialet har fått namnet guldén. Enligt forskarna från Linköpings universitet får guldet nya egenskaper som kan göra det lämpligt för bland annat koldioxidomvandling, väteproduktion och framställning av värdefulla kemikalier. Resultaten är publicerade i tidskriften Nature Synthesis.

Forskare har länge försökt göra ark av guld som är ett atomlager tjockt men misslyckats på grund av metallens vilja att klumpa ihop sig. Men nu har forskare från Linköpings universitet lyckats tack vare ett hundraårigt recept använt av japanska smeder.

– Om man gör ett material extremt tunt händer något extraordinärt – som med grafen. Samma sak händer med guld. I vanliga fall är guld som bekant en metall, men blir den ett atomlager tjock kan guldet bli en halvledare i stället, säger Shun Kashiwaya, forskare vid avdelningen för materialdesign vid Linköpings universitet.

För att skapa guldén utgick Linköpingsforskarna från ett tredimensionellt grundmaterial där guldet ligger inbäddat mellan lager av titan och kol. Men vägen till guldén har inte varit spikrak. Enlig Lars Hultman, professor i tunnfilmsfysik vid Linköpings universitet, beror en del av framsteget på ett lyckokast.

– Vi hade skapat grundmaterialet med helt andra tillämpningar i åtanke. Vi började med elektriskt ledande keramik som kallas titankiselkarbid, där kisel ligger i tunna lager. Då var tanken att belägga keramiken med guld för att skapa en kontakt. Men när vi utsatte materialet för hög temperatur blev kisellagret ersatt av guld inuti grundmaterialet, säger Lars Hultman.

Fenomenet kallas interkalation och det forskarna då hade upptäckt var titanguldkarbid. Under flera år har forskarna haft titanguldkarbid utan att veta hur guldet ska kunna ”vaskas fram”.

Som av en händelse hittade Lars Hultman en metod som använts inom japansk smideskonst i över hundra år. Det kallas Murakamis reagent som etsar bort kolrester och ändrar färgen på stål vid till exempel knivtillverkning. Men det gick inte att använda exakt samma recept som de smederna gjorde. Shun Kashiwaya fick testa sig fram:

– Jag prövade olika koncentrationer av Murakamireagensen och olika tidsspann för etsningen. En dag, en vecka, en månad, flera månader. Det vi märkte var att ju lägre koncentrationen var och ju längre tid etsningen pågick desto bättre. Men det räckte ändå inte, säger han.

Etsningen måste också utföras i mörker då cyanid utvecklas i reaktionen när den träffas av ljus och det löser upp guldet. Sista steget var alltså att få guldarken stabila. För att de frilagda tvådimensionella arken inte ska krulla ihop sig tillsattes ett ytaktivt ämne. I detta fall en lång molekyl som separerar och stabiliserar arken, en så kallad tensid.

– Arken med guldén finns i en lösning, lite som cornflakes i mjölk. Med hjälp av en typ av ”håv” kan vi samla upp guldet och undersöka i elektronmikroskop för att bekräfta att vi lyckats. Vilket vi har, säger Shun Kashiwaya.

De nya egenskaperna hos guldén beror på att varje guldatom har sex närliggande atomer istället för tolv när det ligger i två dimensioner. Tack vare det kan framtida tillämpningar innefatta koldixidomvandling, framställning av värdefulla kemikalier, katalys för att producera vätgas, vattenrening, kommunikation och mycket mer. Dessutom kan mängden guld som används i tillämpningar idag minskas rejält.

Nästa steg för LiU-forskarna är att undersöka om det går att göra likadant med andra ädelmetaller och identifiera fler framtida tillämpningar.

Forskningen finansierades av Vetenskapsrådet, Regeringens strategiska forskningsområde inom materialvetenskap AFM vid Linköpings universitet, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Stiftelsen Åforsk, Olle Enqvists Stiftelse, Carl Tryggers Stiftelse, Göran Gustafssons Stiftelser, MIRAI 2.0, Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) och National Academic Infrastructure for Supercomputing in Sweden (NAISS).

Artikeln: Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold, Shun Kashiwaya, Yuchen Shi, Jun Lu, Davide G. Sangiovanni, Grzegorz Greczynski, Martin Magnuson, Mike Andersson, Johanna Rosen, and Lars Hultman; Nature Synthesis, publicerad online 16 april 2024, DOI: 10.1038/s44160-024-00518-4

Kontakt

Lars Hultman, professor, lars.hultman@liu.se, 013-28 12 84

Shun Kashiwaya, biträdande universitetslektor, shun.kashiwaya@liu.se