Εάν έχετε διαβάσει ιστορίες σχετικά με την κβαντική έρευνα πρόσφατα, στο Columbia News ή αλλού, μπορεί να έχετε ακούσει τον όρο 2D ή δισδιάστατα υλικά.
Μια απεικόνιση της ατομικής δομής του γραφενίου, μιας μορφής εξαιρετικά ισχυρού άνθρακα 2D.
Τον Ιανουάριο, οι χημικοί της Κολούμπια δημοσίευσαν μια μελέτη για το πρώτο 2D βαρύ φερμιόνιο, μια κατηγορία υλικού με πολύ βαριά ηλεκτρόνια. Τον Νοέμβριο, η Σχολή Μηχανικών δημοσίευσε μια ιστορία με θέμα «Laser-Driving a 2D Material.» Και νωρίτερα πέρυσι, Οι ερευνητές βρήκαν τόσο υπεραγωγιμότητα όσο και σιδηροηλεκτρισμό στο ίδιο δισδιάστατο υλικό. Η λίστα συνεχίζεται.
Λοιπόν, τι είναι τα δισδιάστατα υλικά και γιατί ενδιαφέρονται τόσο οι επιστήμονες;
Τα δισδιάστατα υλικά είναι ακριβώς αυτό που ακούγονται: Υλικά που έχουν πάχος μόλις 1 ή 2 άτομα αλλά ευρύτερα προς κάθε άλλη κατεύθυνση. Συχνά τα δισδιάστατα υλικά με τα οποία εργάζονται οι επιστήμονες είναι μερικά τετραγωνικά μικρόμετρα – αόρατα με γυμνό μάτι, αλλά ορατά με το είδος του μικροσκοπίου που μπορεί να χρησιμοποιούσατε στα μαθήματα Φυσικών Επιστημών του Λυκείου. Τα δισδιάστατα υλικά με τα οποία εργάζονται οι επιστήμονες είναι ένα μείγμα από φυσικά υλικά, όπως το γραφένιο, μια μορφή εξαιρετικά ισχυρού άνθρακα που ανακαλύφθηκε στην Κολούμπια το 2, και υλικά που συντέθηκαν σε εργαστήρια, όπως το CeSil, ένας κρύσταλλος που συναρμολογήθηκε για πρώτη φορά στην Κολούμπια πέρυσι. αποτελείται από δημήτριο, πυρίτιο και ιώδιο. Αυτά τα υλικά συνήθως ξεκινούν ως τρισδιάστατα και οι επιστήμονες τα ξεφλουδίζουν σε δύο διαστάσεις για να πραγματοποιήσουν πειράματα πάνω τους και να ανακαλύψουν ποιες φυσικές ιδιότητες, όπως υπεραγωγιμότητα or μαγνητισμός, μπορεί να εμφανιστεί όταν τα υλικά είναι επίπεδα ατόμου. Οι επιστήμονες εργάζονται για την ανάπτυξη νέων τρόπων για την κατασκευή 2D υλικών από την αρχή, χωρίς να χρειάζεται να τα ξεφλουδίσουν από το 3D, αλλά η ποιότητα αυτών εξακολουθεί να είναι ατελής.
Πολλά πράγματα κάνουν τα δισδιάστατα υλικά ενδιαφέροντα, αλλά ένα πρωταρχικό είναι ότι περιορίζουν τους τρόπους με τους οποίους σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μέσα τους. Ο χημικός της Κολούμπια Xavier Roy χρησιμοποίησε μια αναλογία κίνησης για να εξηγήσει:
«Σκεφτείτε το ως εξής: Αν είχαμε ιπτάμενα αυτοκίνητα που θα μπορούσαν να ταξιδεύουν σε τρισδιάστατο διάστημα, θα μπορούσαμε να μειώσουμε το μεγαλύτερο μέρος της κίνησης στη Νέα Υόρκη. Αλλά επειδή τα σημερινά μας αυτοκίνητα μπορούν να ταξιδεύουν μόνο σε δύο διαστάσεις, καταλήγουμε σε τεράστια κυκλοφοριακή συμφόρηση στην Times Square», είπε ο Roy σε πρόσφατη συνέντευξή του.
«Το ίδιο συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια όταν μετακινούμαστε από το 3D στο 2D, αλλά στην περίπτωσή μας, η «κυκλοφορία» μεταξύ ηλεκτρονίων είναι ευεργετική! Καθώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου γίνονται ισχυρότερες, μπορούμε να αλλάξουμε εντελώς τις ιδιότητες ενός υλικού. Για παράδειγμα, καθώς το πάχος των τρισδιάστατων βαρέων φερμιονικών υλικών μειώνεται (δηλαδή καθώς γίνονται πιο δισδιάστατα), μπορούν να μεταβούν από μαγνητικά σε υπεραγώγιμα».
Τα δισδιάστατα υλικά μπορούν επίσης να τροποποιηθούν σχετικά εύκολα: Η στοίβαξή τους με μικρές γωνίες μεταξύ των στρωμάτων, η εφαρμογή δυνάμεων όπως ηλεκτρικά πεδία και μαγνητικά πεδία και η καταπόνηση των υλικών με συστροφή ή άσκηση πίεσης σε αυτά μπορεί να αλλάξει τις ιδιότητές τους. Πάρτε μόνο ένα παράδειγμα: Απλώς στοιβάζοντας δύο φύλλα ενός υλικού που ονομάζεται δισελενίδιο βολφραμίου το ένα πάνω στο άλλο, στρίβοντάς τα και προσθέτοντας ή αφαιρώντας ηλεκτρικό φορτίο, το υλικό μπορεί να αλλάξει από ένα μέταλλο που αγώγει την ηλεκτρική ενέργεια σε ένα μονωτικό που εμποδίζει την ηλεκτρική ενέργεια και πάλι πίσω.
Οι επιστήμονες είναι επίσης ενθουσιασμένοι από τις πιθανές χρήσεις των υλικών 2D στην τεχνολογία, τις οποίες οι επιστήμονες συχνά αναφέρουν ως «εφαρμογές».
Τα δισδιάστατα υλικά πιθανότατα θα διαδραματίσουν ζωτικό ρόλο στην επόμενη γενιά ηλεκτρονικών, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών υπολογιστών που βρίσκονται ακόμη υπό ανάπτυξη. Γιατί; Σε μεγάλο βαθμό, επειδή τα δισδιάστατα υλικά είναι εξαιρετικά μικρά με μοναδικές, ελεγχόμενες ιδιότητες (όπως η υπεραγωγιμότητα) και η τεχνολογία είναι πάντα στο κυνήγι για κάτι που μπορεί να επιτύχει αποτελέσματα πιο γρήγορα, πιο αποτελεσματικά και χρησιμοποιώντας λιγότερο χώρο.
πηγή: Πανεπιστήμιο Κολούμπια
