Borophene – Babak Baru dalam Pengembangan Material 2D

Disintesis untuk pertama kalinya pada tahun 2015, boron, lembaran boron 2D kristalin yang tipis secara anatomis telah menarik perhatian para ilmuwan secara global. Digambarkan sebagai 'bahan ajaib baru' karena fleksibilitas anisotropik dan logamnya yang unik, berpotensi merevolusi baterai, sensor, dan kimia katalitik. Artikel ini merangkum sintesis, sifat, dan aplikasi potensial borofena.

Sintesis dan Properti

Sementara graphene mengambil bentuk tunggal, borophene adalah polimorf, yang dapat memiliki banyak konfigurasi kisi. Secara teoritis, mungkin ada lebih dari 1000 bentuk borofen, masing-masing dengan karakteristik yang berbeda. Borofen pertama kali disintesis oleh sekelompok ilmuwan internasional dalam kondisi vakum sangat tinggi menggunakan sumber atom boron padat. Substrat perak yang dibersihkan secara atom digunakan untuk memberikan permukaan yang terdefinisi dengan baik dan inert untuk pertumbuhan borofen. Di tempat karakterisasi elektronik mendukung prediksi teoretis bahwa polimorf borofen yang berhasil mereka buat adalah logam dan membentuk struktur planar dengan gelombang anisotropik. Strukturnya yang bergelombang kemudian dikaitkan dengan kekakuan lentur yang sangat kecil dari borofena (yaitu momen yang diperlukan untuk menghasilkan rotasi satuan) dan reaktivitasnya terhadap perak. Para penulis menunjukkan bahwa baik sifat elektronik dan mekanik dari borofen yang dihasilkan sangat anisotropik.

Sejak penemuan awal, banyak penelitian telah dilakukan tentang superkonduktivitas, mekanik, elektronik, dan sifat optik polimorf yang berbeda dari borofena. Borofen kini telah dibuat menggunakan sejumlah substrat yang berbeda termasuk emas, tembaga, dan aluminium. Terobosan signifikan terjadi pada tahun 2019 ketika borofen berdiri bebas disintesis untuk pertama kalinya menggunakan proses yang dapat diskalakan.

Borofen kuat, fleksibel, dan transparan . Ini adalah konduktor panas dan listrik yang baik, dan juga superkonduktor. Menurut beberapa prediksi komputasi, borofena dapat bertransisi ke superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi daripada graphene. Perhitungan prinsip pertama telah menunjukkan bahwa suhu transisi superkonduktor mungkin setinggi 24.7K untuk beberapa polimorf borofen, yang jauh lebih tinggi daripada 8.1K yang diprediksi secara komputasi dan diamati secara eksperimental 7.4K dalam grafena. Anisotropi dalam sifat mekanik dan listriknya membuatnya dapat disetel, yang merupakan salah satu alasan para ilmuwan dan insinyur bersemangat tentang aplikasi potensialnya. Memahami bagaimana mengkarakterisasi dan mengontrol struktur atom borofena akan sangat penting untuk penggabungan borofena dengan sifat yang diinginkan ke dalam produk.

Sementara banyak peneliti tertarik dengan sifat unik borofena, ada hambatan signifikan terhadap komersialisasi bahan ini. Pertama, borofena memiliki reaktivitas kimia yang relatif tinggi dan oleh karena itu, sulit untuk dimanipulasi pada suhu sekitar. Tetap relatif sulit untuk diproduksi bahkan dalam jumlah kecil. Seperti banyak bahan 2D, borofen rentan terhadap oksidasi. Ini umumnya dianggap tidak menguntungkan, namun, oksidasi dapat digunakan untuk meningkatkan stabilitas struktur dan menyesuaikan propertinya.

Aplikasi Borofen

Berbagai macam aplikasi yang memanfaatkan sifat unik borofen sudah muncul, misalnya:

Elektronik fleksibel: Materi 2D memungkinkan pengembangan perangkat elektronik hibrid yang diperkecil yang dirancang untuk memanfaatkan kualitas superiornya. Para peneliti percaya bahwa struktur bergelombang borofena yang tidak biasa akan memberikan daya regangan yang tinggi jika borofen dipindahkan ke substrat elastomer. Dengan kata lain, dimungkinkan untuk membuat perangkat menggunakan borofen yang dapat berubah bentuk dan kemudian kembali ke bentuk aslinya. Karena borofen bersifat konduktif, mungkin terbukti sangat cocok untuk perangkat elektronik fleksibel. Salah satu tantangan utama yang dihadapi para peneliti adalah seperti banyak bahan 2D, borofen sangat sensitif terhadap lingkungan eksternal, dan hingga saat ini, belum menunjukkan stabilitas dan keandalan jangka panjang saat digunakan dalam perangkat elektronik. Para peneliti saat ini sedang mengembangkan teknik pencitraan baru untuk menangkap gerakan atom individu dalam bahan 2D untuk memahami mode kegagalan potensial dalam perangkat elektronik.

Elektroda baterai: Baterai lithium-ion telah ada di mana-mana di perangkat elektronik karena kepadatan dayanya yang tinggi dan masa pakai yang lama. Dalam beberapa tahun terakhir, baterai natrium-ion juga menjadi semakin umum karena biaya pengoperasian yang rendah dan keamanan pengoperasian yang tinggi. Morfologi unik bahan 2D memungkinkan difusi ion cepat dan menjadikannya kandidat yang cocok untuk digunakan sebagai elektroda. Borofen adalah bahan elektroda yang sangat menjanjikan untuk baterai lithium-ion dan natrium-ion karena kapasitas penyimpanannya yang tinggi sehingga menghasilkan kepadatan daya dan kinerja elektrokimia yang sangat tinggi. Sebuah studi baru-baru ini melaporkan bahwa kapasitas penyimpanan borofen adalah yang tertinggi dari semua bahan 2D yang diselidiki hingga saat ini.

Katalisis: Bahan 2D sangat menjanjikan untuk digunakan sebagai katalis karena sifatnya yang unik, termasuk luas permukaan yang besar dan keadaan elektronik baru. Borofen dapat digunakan sebagai katalis dalam evolusi hidrogen, reduksi oksigen dan reduksi elektrokimia karbon dioksida. Pengurangan elektrokimia karbon dioksida, khususnya, memiliki potensi yang sangat besar dalam berkontribusi terhadap upaya untuk mengatasi perubahan iklim. Namun, kemajuannya lambat karena kurangnya katalis yang stabil dan efisien.

Penyimpanan hidrogen: Hidrogen memiliki energi tertinggi per massa bahan bakar apapun. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang sistem penyimpanan hidrogen menjadi semakin lazim, didorong oleh permintaan untuk penyimpanan energi dan kemajuan teknologi hidrogen dan sel bahan bakar. Borofen telah terbukti memiliki kapasitas penyimpanan hidrogen yang mengesankan, sebagian karena massa atom boron yang rendah. Energi pengikatan molekul hidrogen pada lembaran boron lebih kuat dari pada graphene.

Sensor gas: Sifat adsorpsi gas borofen membuatnya cocok dalam aplikasi penginderaan gas untuk berbagai gas termasuk etanol, karbon monoksida, fosgen, dan formaldehida. Material 2D telah menunjukkan potensi signifikan untuk pengembangan sensor gas karena struktur elektroniknya yang unik dan rasio luas permukaan terhadap volume yang besar.

Kesimpulan

The pengembangan bahan 2D adalah salah satu batas paling menarik dalam penelitian bahan saat ini. Sintesis borofena yang dipandu secara komputasi, lebih dari satu dekade setelah sintesis graphene, dapat dianggap sebagai cetak biru untuk pengembangan bahan 2D baru. Tantangan teknis yang signifikan tetap ada dalam pengembangan borofen, misalnya, meningkatkan proses manufaktur, namun kualitasnya yang belum pernah terjadi sebelumnya dan unik kemungkinan akan mengungkapkan cakrawala baru dalam elektronik fleksibel, baterai, dan teknologi sensor.