Si heu llegit alguna història sobre investigació quàntica darrerament, a Columbia News o en altres llocs, potser haureu sentit el terme Materials 2D o bidimensionals.
Una il·lustració de l'estructura atòmica del grafè, una forma de carboni 2D ultra fort.
Al gener, els químics de Columbia van publicar un estudi sobre el primer Fermió pesat 2D, una classe de material amb electrons molt pesats. Al novembre, l'Escola d'Enginyeria va publicar un relat sobre “Conducció làser d'un material 2D.” I a principis de l'any passat, els investigadors van trobar tant superconductivitat com ferroelectricitat en el mateix material 2D. La llista continua.
Aleshores, què són els materials 2D i per què els científics estan tan interessats?
Els materials bidimensionals són el que sonen: materials que tenen només 1 o 2 àtoms de gruix però més amples en totes les altres direccions. Sovint, els materials 2D amb els quals treballen els científics són d'uns pocs micròmetres quadrats, invisibles a simple vista, però visibles amb el tipus de microscopi que podríeu haver utilitzat a les classes de ciències de secundària. Els materials 2D amb què treballen els científics són una barreja de materials naturals, com el grafè, una forma de carboni ultrafort descobert a Columbia el 2004, i materials sintetitzats en laboratoris, com el CeSil, un cristall muntat per primera vegada a Columbia l'any passat. compost de ceri, silici i iode. Aquests materials solen començar com a tres dimensions, i els científics els redueixen a dues dimensions per fer experiments amb ells i esbrinar quines propietats físiques, com ara superconductivitat or magnetisme, podria sorgir quan els materials són àtoms plans. Els científics estan treballant per desenvolupar noves maneres de fer materials en 2D des de zero, sense necessitat de treure'ls del 3D, però la qualitat d'aquests encara és imperfecta.
Moltes coses fan que els materials 2D siguin interessants, però una de les principals és que limiten les maneres en què les partícules com els electrons es poden moure dins d'ells. El químic de Columbia Xavier Roy va utilitzar una analogia de trànsit per explicar:
"Penseu-ho així: si tinguéssim cotxes voladors que poguessin viatjar en l'espai tridimensional, podríem reduir la major part del trànsit a Nova York. Però com que els nostres cotxes actuals només poden viatjar en dues dimensions, acabem amb grans embussos de trànsit a Times Square ", va dir Roy en una entrevista recent.
"El mateix passa amb els electrons quan passem del 3D al 2D, però en el nostre cas, el 'trànsit' entre electrons és beneficiós! A mesura que aquestes interaccions electró-electró es fan més fortes, podem canviar completament les propietats d'un material. Per exemple, a mesura que es redueix el gruix dels materials fermions pesats en 3D (és a dir, a mesura que esdevenen més 2D), poden passar de ser magnètics a superconductors".
Els materials bidimensionals també es poden modificar amb relativa facilitat: apilar-los amb angles lleugers entre les capes, aplicant forces com camps elèctrics i camps magnètics, i tensar els materials girant-los o aplicant-hi pressió pot canviar les seves propietats. Prengui només un exemple: simplement apilant dues làmines d'un material anomenat diselenur de tungstè una sobre l'altra, girant-les i afegint o eliminant càrrega elèctrica, el material pot canviar d'un metall conductor de l'electricitat a un aïllant que bloqueja l'electricitat i tornar de nou.
Els científics també estan entusiasmats amb els usos potencials dels materials 2D a la tecnologia, que els científics sovint anomenen "aplicacions".
Els materials bidimensionals probablement jugaran un paper vital en la propera generació d'electrònica, incloses les computadores quàntiques encara en desenvolupament. Per què? En gran part, perquè els materials 2D són ultra-petits amb propietats úniques i controlables (com la superconductivitat) i la tecnologia sempre està a la recerca d'alguna cosa que pugui aconseguir resultats de manera més ràpida, més eficient i utilitzant menys espai.
