Pokud jste v poslední době četli nějaké příběhy o kvantovém výzkumu, v Columbia News nebo jinde, možná jste slyšeli termín 2D nebo dvourozměrné materiály.
Ilustrace atomové struktury grafenu, formy ultra silného 2D uhlíku.
V lednu chemici z Columbie zveřejnili studii o prvním 2D těžký fermion, třída materiálu s velmi těžkými elektrony. V listopadu Inženýrská škola zveřejnila příběh na téma „Laserové řízení 2D materiálu.“ A na začátku minulého roku, výzkumníci zjistili jak supravodivost, tak feroelektřinu ve stejném 2D materiálu. Seznam pokračuje.
Co jsou tedy 2D materiály a proč se vědci tak zajímají?
Dvourozměrné materiály jsou přesně to, co zní: Materiály, které mají tloušťku jen 1 nebo 2 atomy, ale jsou širší ve všech ostatních směrech. 2D materiály, se kterými vědci pracují, jsou často velké několik mikrometrů čtverečních – neviditelné pouhým okem, ale viditelné mikroskopem, který jste mohli používat při hodinách přírodních věd na střední škole. 2D materiály, se kterými vědci pracují, jsou směsí přirozeně se vyskytujících materiálů, jako je grafen, forma ultra silného uhlíku objevená v Kolumbii v roce 2004, a materiály syntetizované v laboratořích, jako CeSil, krystal poprvé sestavený v Kolumbii minulý rok, složený z ceru, křemíku a jódu. Tyto materiály obvykle začínají jako trojrozměrné a vědci je loupou do dvou rozměrů, aby na nich provedli experimenty a zjistili, jaké fyzikální vlastnosti, např. supravodivost or magnetismus, se může objevit, když jsou materiály atomově ploché. Vědci pracují na vývoji nových způsobů, jak vyrobit 2D materiály od nuly, aniž by je museli oloupat z 3D, ale kvalita těchto materiálů je stále nedokonalá.
Mnoho věcí dělá 2D materiály zajímavými, ale primární je, že omezují způsoby, kterými se částice, jako jsou elektrony, mohou v nich pohybovat. Chemik z Kolumbie Xavier Roy k vysvětlení použil dopravní analogii:
„Představte si to takto: Kdybychom měli létající auta, která by mohla cestovat v trojrozměrném prostoru, byli bychom schopni omezit většinu provozu v New Yorku. Ale protože naše současná auta mohou jezdit pouze ve dvou dimenzích, skončíme s obrovskými dopravními zácpami na Times Square,“ řekl Roy v nedávném rozhovoru.
„Totéž se děje pro elektrony, když přecházíme z 3D do 2D, ale v našem případě je „provoz“ mezi elektrony prospěšný! Jak tyto interakce elektron-elektron zesílí, můžeme zcela změnit vlastnosti materiálu. Například jak se tloušťka 3D těžkých fermionových materiálů zmenšuje (tj. jak se stávají více 2D), mohou přecházet z magnetických na supravodivé.“
Dvourozměrné materiály lze také poměrně snadno vyladit: jejich naskládání s mírnými úhly mezi vrstvami, působení sil, jako jsou elektrická a magnetická pole, a namáhání materiálů kroucením nebo působením tlaku na ně může změnit jejich vlastnosti. Vezměte si jen jeden příklad: Jednoduchým naskládáním dvou plátů materiálu zvaného diselenid wolframu na sebe, jejich zkroucením a přidáním nebo odebráním elektrického náboje může přejít z elektricky vodivého kovu na izolátor blokující elektřinu a zase zpátky.
Vědci jsou také nadšeni potenciálním využitím 2D materiálů v technologii, které vědci často označují jako „aplikace“.
Dvourozměrné materiály budou pravděpodobně hrát zásadní roli v příští generaci elektroniky, včetně kvantových počítačů, které se stále ještě nevyvíjejí. Proč? Z velké části proto, že 2D materiály jsou ultra-malé s jedinečnými, ovladatelnými vlastnostmi (jako je supravodivost) a technologie vždy hledá něco, co může dosáhnout výsledků rychleji, efektivněji a s menším prostorem.
Zdroj: Columbia University
