As jy die afgelope tyd enige stories oor kwantumnavorsing gelees het, in Columbia News of elders, het jy dalk die term gehoor 2D of tweedimensionele materiaal.
'n Illustrasie van die atoomstruktuur van grafeen, 'n vorm van ultrasterk 2D-koolstof.
In Januarie het Columbia-chemici 'n studie oor die eerste gepubliseer 2D swaar fermion, 'n klas materiaal met baie swaar elektrone. In November het die Ingenieurskool 'n storie gepubliseer oor "Laserbestuur van 'n 2D-materiaal.” En vroeër verlede jaar, navorsers het beide supergeleiding en ferroelektrisiteit in dieselfde 2D-materiaal gevind. Die lys gaan aan.
So, wat is 2D-materiaal en hoekom stel wetenskaplikes so belang?
Tweedimensionele materiale is net soos dit klink: Materiale wat net 1 of 2 atome dik is, maar wyer in elke ander rigting. Dikwels is die 2D-materiaal waarmee wetenskaplikes werk 'n paar vierkante mikrometer groot – onsigbaar met die blote oog, maar sigbaar met die soort mikroskoop wat jy dalk in hoërskoolwetenskapklasse gebruik het. Die 2D-materiale waarmee wetenskaplikes werk, is 'n mengsel van natuurlike materiale, soos grafeen, 'n vorm van ultra-sterk koolstof wat in 2004 by Columbia ontdek is, en materiale wat in laboratoriums gesintetiseer is, soos CeSil, 'n kristal wat verlede jaar vir die eerste keer by Columbia saamgestel is, bestaan uit serium, silikon en jodium. Hierdie materiale begin gewoonlik as driedimensioneel, en wetenskaplikes skil hulle af tot twee dimensies om eksperimente daarop uit te voer en uit te vind watter fisiese eienskappe, soos supergeleiding or magnetisme, kan na vore kom wanneer die materiale atoom-plat is. Wetenskaplikes werk daaraan om nuwe maniere te ontwikkel om 2D-materiaal van nuuts af te maak, sonder om dit van 3D af te skil, maar die kwaliteit hiervan is steeds onvolmaak.
Baie dinge maak 2D-materiale interessant, maar 'n primêre een is dat hulle die maniere beperk waarop deeltjies soos elektrone binne hulle kan beweeg. Columbia Chemikus Xavier Roy 'n verkeersanalogie gebruik om te verduidelik:
“Dink so daaraan: As ons vlieënde motors gehad het wat in driedimensionele ruimte kon ry, sou ons die meeste van die verkeer in New York kon verminder. Maar aangesien ons huidige motors net in twee-dimensies kan ry, sit ons met groot verkeersknope in Times Square op,” het Roy in ’n onlangse onderhoud gesê.
“Dieselfde ding gebeur vir elektrone wanneer ons van 3D na 2D beweeg, maar in ons geval is 'verkeer' tussen elektrone voordelig! Soos hierdie elektron-elektron-interaksies sterker word, kan ons die eienskappe van 'n materiaal heeltemal verander. Byvoorbeeld, aangesien die dikte van 3D swaar fermioonmateriale verminder word (dws soos hulle meer 2D word), kan hulle oorgaan van magneties na supergeleier."
Tweedimensionele materiale kan ook relatief maklik aangepas word: As jy hulle met effense hoeke tussen die lae stapel, kragte soos elektriese velde en magnetiese velde toepas, en die materiaal verrek deur te draai of druk daarop toe te pas, kan hul eienskappe verander. Neem net een voorbeeld: Deur eenvoudig twee velle van 'n materiaal genaamd wolframdiselenied op mekaar te stapel, dit te draai en elektriese lading by te voeg of te verwyder, sal die materiaal kan oorskakel van 'n elektrisiteit-geleidende metaal na 'n elektrisiteit-blokkerende isolator en weer terug.
Wetenskaplikes is ook opgewonde oor 2D-materiale se potensiële gebruike in tegnologie, waarna wetenskaplikes dikwels as "toepassings" verwys.
Tweedimensionele materiaal sal waarskynlik 'n belangrike rol speel in die volgende generasie elektronika, insluitend kwantumrekenaars wat nog steeds onder ontwikkeling is. Hoekom? In 'n groot mate, omdat 2D-materiale ultra-klein is met unieke, beheerbare eienskappe (soos supergeleiding), en tegnologie is altyd op soek na iets wat vinniger, doeltreffender resultate kan behaal en minder spasie kan gebruik.
Bron: Columbia Universiteit
