グラファイトと比較して、グラフェンは以下のような特性において著しい改善を示しています。 引張強度、柔軟性、 電気伝導性、そして 熱伝導性。 この 炭素原子の単層からなる二次元（2D）ナノ材料の発見は、他の材料の原子層薄膜の潜在的な応用に対する関心を高めています。
この基盤の上に立ち、研究者たちはそれぞれ独自の特性と潜在的な応用を持つ、他の原子層薄膜材料の開発に取り組んできました。
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グラフェンとは何か？
六角形の格子状に配置された炭素原子の原子層薄膜であるグラフェンの開発は、2004年に初めて報告されました。このような革新的な2D材料は、高い表面積対体積比を持ち、従来の炭素系材料よりもはるかに薄く、強く、軽く、柔軟性に富んでいます。さらに、グラフェンの極めて小さな次元と量子閉じ込め効果は、透明性や 半導電性。原子レベルの薄さを持つ材料は、複合材料において他の材料とも強く相互作用し、 有益な相乗効果をもたらします。
原子レベルの薄さを持つ層の3つのカテゴリー
グラフェンの成功に触発され、科学者たちは他の原子レベルの薄さを持つ材料層の研究を開始しました。現在の研究は、その組成に基づいて分類される以下の3つの材料タイプに焦点を当てています：
- X-enes： グラフェン、ホスホレン、窒化ホウ素、シリセン、グラファイト状窒化炭素などの非金属物質
- Metal-X-enes： 遷移金属炭化物、カルコゲナイド、窒化物、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などの金属含有化合物
- Metallenes： ゴールデン、スタネン、ゲルマネンなどの金属および合金。これらはさらにバイメタレン、トリメタレンなどに分類できます。
図1は、グラフェンの発見以降の2次元材料研究の歴史をたどったものです。
図2は、サブカテゴリーとそれらに含まれる個々の原子レベルの薄さを持つ材料、その重要な特性、およびさまざまなアプリケーションとの関係を示しています。
原子1層分の厚さを持つ金のユニークな特性
現在開発が進められているメタレンの中でも、金原子1層からなる「ゴールデン（goldene）」は、科学的に驚くべき新たな可能性をもたらします。ユニークな触媒特性や光学特性を示すと期待されており、触媒や光エレクトロニクス分野での応用が有望視されています。
なぜゴールデンは、太陽電池、センサー、バッテリー、その他の電子機器への利用において、これほど重要な候補となり得るのでしょうか？
- 薄さ： ゴールデンは市販の金箔よりも400倍薄く、その厚さは 0.2～0.4 nmと予想されています。基板上に支持された原子1層分の金の層に関する初期の報告では、それらが 0.95～2.85 eVのバンドギャップを持つ半導体であることが示されています。
- 結合強度： 計算されたゴールデンの結合エネルギーは、 0.94 eV。これは、原子あたりの結合数が少ないため、バルク金の0.52 eVよりも高い値です。
- 弾性： ゴールデンの弾性（ヤング）率は、 226 GPaと予測されており、これは バルク金の76～80 GPa や、 金ナノシートの60 GPaよりも高く、 A36鋼と同等です。
金のコストの高さを考慮すると、ゴールデンの機械的特性はそれほど重要ではないかもしれません。なぜなら、そうした用途では一般的に大量の材料が必要とされるからです。しかし、ゴールデンにおける電気的、触媒的、光学的、および生物医学的特性の向上は非常に重要であり、多くの新興かつ極めて重要な技術において需要が高まっています。
ゴールデンの潜在的な用途
原子レベルの厚さを持つ金の層がもたらす機会は、さらに刺激的です。装飾や取引での利用はさておき、金はすでに科学技術において重要な金属であり、エレクトロニクス、不均一系触媒、 電極触媒、 センサー、フォトニクス、そして 生物医学。この技術は新しいものであるため、原子レベルの厚さの金層に関する文献は現在まで限られています。そのため、私たちは2次元金の報告された用途を分析するために、ナノシート、ナノプレート、薄膜といった、わずかに厚い金ナノ構造を含む文献をレビューすることにしました。
私たちは、メタレンおよび2次元金について報告している文献から、CAS Content Collection™内のインデックスされたキーワードを分析しました（図3）。メタレンを報告する文献において普及している概念は、電気触媒および電気化学的エネルギー貯蔵に関連するものです。これは主に、パラジウム、ロジウム、白金など、金以外の貴金属から作られるメタレンによるものです。 およびそれらの合金。
対照的に、2次元金ナノ構造に関連する文献では、センサー、薬物送達、光熱療法、不均一系触媒などの用途が強調されています。これは主に、金や銀などごくわずかな金属のみが示す特有の表面プラズモン共鳴によるものです。金の不活性かつ生体適合性のある性質は、その電気的および独自の光学的特性と相まって、生物医学用途において信頼される材料となっています。
ゴールデンの開発を阻む課題
この革新的な材料の可能性を捉えるため、研究者たちはゴールデンを幅広い用途で実用化すべく、多くの課題の克服に取り組んでいます。
原子レベルの厚さの材料の3つのカテゴリーの中で、メタレンの合成は最も困難です。これは、ほとんどの金属において結合が等方性であるため、ナノ粒子や1次元（1D）ナノ構造のような密に詰まった構造を好む性質があるからです。対照的に、多くの非金属化合物や遷移金属化合物は、ファンデルワールス力によって結合された層状構造で構成されており、そのため トップダウンアプローチによって個々の層に分離することが容易です。
膨大な数の金のナノ粒子、1次元および2次元ナノ構造が合成されており、 さまざまな用途において高い性能を示しています。しかし、原子レベルの厚さの2次元金の調製は依然として困難なままでした。これまでに報告されている2次元金ナノ構造のほとんどは、 原子レベルの厚さの層 が支持された その他の材料 または 多原子層。原子1個分の厚さの金層は、熱力学的に強く凝集して 不連続な膜 を形成する傾向があります。 ナノ粒子の島。
2022年のゴールデンの合成に関する報告は、単層ではなく複数の金層で構成されていたのではないかという他の科学者からの異論を受けています。しかし、 最近の報告 では、界面活性剤と配位子によって原子1個分の厚さの金層を安定化させるゴールデンの合成が 広く注目を集めています。
ゴールデンの潜在的な欠点の一つは、引張強度がわずか12 GPaであることです。これは バルク金の100～200 GPaと比べてはるかに低い値です。また、界面活性剤や配位子を使用せずにゴールデンを安定化させるという課題も考慮しなければなりません。これらの分子が表面に存在すると、金が持つ非常に望ましい表面依存特性が著しく損なわれる可能性があるためです。
ゴールデンの未来は明るいのでしょうか？
ゴールデン開発の拡張性やその応用の幅は、まだ未知数です。しかし、原子1個分の厚さの材料が持つユニークで魅力的な特性が、今後も研究や商業的な関心を集め続けることは間違いありません。
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