إذا كنت قد قرأت أي قصص عن أبحاث الكم مؤخرًا، في أخبار كولومبيا أو في أي مكان آخر، فربما سمعت هذا المصطلح مواد ثنائية الأبعاد أو ثنائية الأبعاد.
رسم توضيحي للتركيب الذري للجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون ثنائي الأبعاد فائق القوة.
وفي يناير/كانون الثاني، نشر الكيميائيون في كولومبيا دراسة حول الأول فرميون ثقيل ثنائي الأبعاد، فئة من المواد ذات الإلكترونات الثقيلة جدًا. في نوفمبر، نشرت كلية الهندسة قصة عن "قيادة مادة ثنائية الأبعاد بالليزر". وفي وقت سابق من العام الماضي، وجد الباحثون كلاً من الموصلية الفائقة والكهرباء الحديدية في نفس المادة ثنائية الأبعاد. والقائمة تطول.
إذن، ما هي المواد ثنائية الأبعاد ولماذا يهتم بها العلماء إلى هذا الحد؟
المواد ثنائية الأبعاد هي بالضبط ما تبدو عليه: المواد التي يبلغ سمكها ذرة واحدة أو ذرتين فقط ولكنها أوسع في كل اتجاه آخر. في كثير من الأحيان، يبلغ حجم المواد ثنائية الأبعاد التي يستخدمها العلماء بضعة ميكرومترات مربعة، وهي غير مرئية بالعين المجردة، ولكنها مرئية باستخدام نوع المجهر الذي ربما استخدمته في دروس العلوم في المدرسة الثانوية. المواد ثنائية الأبعاد التي يعمل عليها العلماء هي مزيج من المواد الطبيعية، مثل الجرافين، وهو شكل من أشكال الكربون فائق القوة الذي تم اكتشافه في كولومبيا عام 1، والمواد التي تم تصنيعها في المختبرات، مثل CeSil، وهي بلورة تم تجميعها لأول مرة في كولومبيا العام الماضي. يتكون من السيريوم والسيليكون واليود. تبدأ هذه المواد عادةً كثلاثية الأبعاد، ويقوم العلماء بتقسيمها إلى بعدين لإجراء التجارب عليها ومعرفة الخصائص الفيزيائية، مثل الموصلية الفائقة or مغنطيسية، قد تظهر عندما تكون المواد مسطحة الذرة. يعمل العلماء على تطوير طرق جديدة لصنع مواد ثنائية الأبعاد من الصفر، دون الحاجة إلى استخلاصها من ثلاثية الأبعاد، لكن جودة هذه المواد لا تزال غير كاملة.
هناك أشياء كثيرة تجعل المواد ثنائية الأبعاد مثيرة للاهتمام، لكن العامل الأساسي هو أنها تحصر الطرق التي يمكن أن تتحرك بها الجسيمات مثل الإلكترونات داخلها. كولومبيا الكيميائي كزافييه روي استخدم تشبيه حركة المرور لشرح:
"فكر في الأمر على هذا النحو: إذا كان لدينا سيارات طائرة يمكنها السفر في الفضاء ثلاثي الأبعاد، فسنكون قادرين على تقليل معظم حركة المرور في نيويورك. وقال روي في مقابلة أجريت معه مؤخرا: "لكن بما أن سياراتنا الحالية لا يمكنها السفر إلا في بعدين، فقد انتهى بنا الأمر إلى حدوث اختناقات مرورية ضخمة في تايمز سكوير".
"يحدث الشيء نفسه بالنسبة للإلكترونات عندما ننتقل من البعد الثلاثي إلى البعد الثنائي، ولكن في حالتنا، يكون "الحركة" بين الإلكترونات مفيدًا! عندما تصبح هذه التفاعلات بين الإلكترون والإلكترون أقوى، يمكننا تغيير خصائص المادة تمامًا. على سبيل المثال، عندما يتم تقليل سمك مواد الفرميون الثقيلة ثلاثية الأبعاد (أي عندما تصبح أكثر ثنائية الأبعاد)، يمكنها الانتقال من كونها مغناطيسية إلى فائقة التوصيل.
يمكن أيضًا تعديل المواد ثنائية الأبعاد بسهولة نسبية: فتكديسها بزوايا طفيفة بين الطبقات، وتطبيق قوى مثل المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية، وإجهاد المواد عن طريق التواء أو الضغط عليها يمكن أن يغير خصائصها. خذ مثالا واحدا فقط: من خلال تكديس ورقتين من مادة تسمى ثنائي سيلينيد التنغستن فوق بعضها البعض، ولفهما وإضافة شحنة كهربائية أو إزالتها، فإن المادة يمكن أن يتحول من معدن موصل للكهرباء إلى عازل مانع للكهرباء والعودة مرة أخرى.
كما أن العلماء متحمسون أيضًا للاستخدامات المحتملة للمواد ثنائية الأبعاد في مجال التكنولوجيا، والتي يشير إليها العلماء غالبًا باسم "التطبيقات".
من المرجح أن تلعب المواد ثنائية الأبعاد دورًا حيويًا في الجيل القادم من الإلكترونيات، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي لا تزال قيد التطوير. لماذا؟ ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن المواد ثنائية الأبعاد صغيرة جدًا ولها خصائص فريدة يمكن التحكم فيها (مثل الموصلية الفائقة)، والتكنولوجيا تبحث دائمًا عن شيء يمكنه تحقيق النتائج بسرعة أكبر، وأكثر كفاءة، وباستخدام مساحة أقل.
المصدر جامعة كولومبيا
