たった 1 原子の厚さのゴールデン物質が初めて作成されました。2 次元の物質を作成するのはどれほど難しいのでしょうか?

著者: 陳嘉軍

炭素原子で構成され、厚さが原子 1 個だけの 2 次元物質であるグラフェンについて聞いたことがある人は多いと思います。グラフェンは2004年に発見されて以来、そのユニークな特性により幅広い注目を集めています。これは科学者たちに他の二次元材料を研究するきっかけにもなりました。 2024年4月16日、Nature Synthesis誌に掲載された新しい研究で、2次元材料ファミリーにゴールデンネンという重量級の新メンバーが加わったことが発表されました。研究者らがわずか原子層の厚さの二次元金シートの作成に成功したのは今回が初めてだ。

金属だけでできたゴールデンのような二次元素材を作るのはなぜ難しいのでしょうか？これは、金属原子が安定した二次元単原子層を形成するのではなく、凝集して塊になり、三次元ナノ粒子を形成する傾向があるためです。この特性は科学者にとって大きな課題であり、特に金などの貴金属の実験では原子の配置を制御することがさらに困難になります。

研究チームは、チタンシリコンカーバイド（Ti₃SiC₂）と呼ばれる導電性セラミック材料から着手しました。この材料は優れた電気伝導性を持ち、炭化チタンのシートの間にシリコンの層を挟んだ層状構造になっています。研究者らがこの材料の表面を金の層で覆い、高温にさらして加熱したところ、予期せぬ現象が起こりました。シリコン層が金原子に置き換わり、まったく新しい材料**、**チタン金カーバイド（ Ti₃ AuC₂ ）が形成されたのです。この現象はインターカレーションと呼ばれます。

図: チタンシリコンカーバイド (Ti₃SiC₂) のシリコンが金に置き換えられてチタン金カーバイド (Ti₃AuC₂) が形成されます。

研究者たちは何年もの間、チタンカーバイドから金の層を剥がそうと試みてきたが、成功していない。研究者たちは偶然、日本の鍛冶技術で100年以上も使われてきた手法に気づきました。この方法では、村上試薬と呼ばれる化学物質を使用し、ナイフの製造工程中に残留炭素をエッチングして鋼の色を変えます。

これにより、研究者たちは、この試薬が炭化チタンの Ti₃C₂ 層のエッチングに使用できるのではないかと考えました。最適な結果を得るために、研究者らは村上試薬の配合を変更した。彼らは村上試薬のさまざまな濃度と、1日から数か月にわたるエッチング時間を試した。彼らは、濃度が低いほど、そしてエッチングのプロセスが長いほど、最終的な効果が良くなることに気づきました。

しかし、別の課題もあります。エッチングの過程で光にさらされるとシアン化物が生成され、金が溶解してしまうのです。したがって、金の層を保護するために、プロセス全体を暗闇の中で実行する必要があります。

金の薄片が分離されると、研究者たちは二次元金薄片の安定性をどのように維持するかという問題を解決する必要がありました。実験では、研究者らはエッチングによって生成された二次元金箔が丸まって凝集する傾向があることを観察した。この問題を解決するために、研究者たちはゴールデンの表面に保護層を形成する界面活性剤を加え、薄片同士がくっつくのを防ぎ、ゴールデンを平らで安定した状態に保ちました。

最終的に、研究者たちは、オーレンと呼ばれる安定した単一原子の厚さの二次元金層を作成することに成功したことを実証しました。

ゴールデンの発見は、2次元材料のファミリーに新たな重量級メンバーを追加するだけでなく、科学者が貴金属で構成された2次元材料を研究するための新たな道を開くものでもあります。従来の金ナノ粒子と比較して Goldene がユニークなのは、3 次元結晶の 12 個の隣接原子ではなく、各金原子が 6 個の隣接原子しか持たないことです。このユニークな特性により、研究者たちはその将来の応用に期待を寄せています。二酸化炭素の変換、水素製造触媒、水の浄化、高度な通信技術など、この原子1個分の厚さの金シートは、変化をもたらす中核材料となる可能性があります。

村上試薬はエッチングプロセス中に鉄不純物を導入する可能性があり、その結果、ゴールデンの純度と触媒性能に影響を及ぼす可能性があることに注意することが重要です。そのため、研究者たちはゴールデンの合成プロセスを最適化し、その安定性と生産効率を向上させる取り組みを行っています。さらに、大規模生産においてゴールデンの高品質と一貫性をどのように維持するかも、将来の応用において克服する必要がある困難な問題です。

最も初期のグラフェンから今日のゴールデンに至るまで、2次元材料の研究は、材料の原子配列構造を変更することで、これまでにない新しい特性を生み出す方法を私たちに示してきました。ゴールデンの製造成功は、新たな材料形態を明らかにするだけでなく、より二次元的な貴金属材料の誕生を告げるものでもあります。科学者が新たな調製方法と応用シナリオを模索し続ける中、ゴールデンとその派生材料は、環境保護技術、クリーンエネルギー、精密医療などの分野で画期的な進歩を遂げ、より持続可能で効率的な未来へと私たちを導くことが期待されています。

論文リンク: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.172502

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 陳嘉軍

査読者: 穆雲松、中国人民大学化学生命資源学部環境科学工学科長

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司