مواد دو بعدی چیست و چرا دانشمندان را مورد توجه قرار می دهند؟

اگر اخیراً در اخبار کلمبیا یا جاهای دیگر داستانی در مورد تحقیقات کوانتومی خوانده اید، ممکن است این اصطلاح را شنیده باشید. مواد دو بعدی یا دو بعدی.

تصویری از ساختار اتمی گرافن، شکلی از کربن دوبعدی فوق العاده قوی.

در ژانویه، شیمیدانان کلمبیا مطالعه ای در مورد اولین مورد منتشر کردند فرمیون سنگین دوبعدی، دسته ای از مواد با الکترون های بسیار سنگین. در نوامبر، دانشکده مهندسی داستانی را در مورد "راندن لیزر یک ماده دو بعدی" و اوایل سال گذشته، محققان هم ابررسانایی و هم فروالکتریکی را در یک ماده دو بعدی یافتند. لیست ادامه دارد.

بنابراین، مواد دو بعدی چیست و چرا دانشمندان اینقدر علاقه مند هستند؟

مواد دو بعدی دقیقاً همان چیزی است که به نظر می رسد: موادی که فقط 1 یا 2 اتم ضخامت دارند اما در هر جهت دیگر پهن ترند. اغلب مواد دوبعدی که دانشمندان با آن کار می کنند، چند میکرومتر مربع بزرگ هستند – با چشم غیرمسلح نامرئی هستند، اما با میکروسکوپی که ممکن است در کلاس های علوم دبیرستان استفاده کرده باشید، قابل مشاهده هستند. مواد دو بعدی که دانشمندان در حال کار با آنها هستند ترکیبی از مواد طبیعی مانند گرافن، شکلی از کربن فوق قوی است که در سال 2 در کلمبیا کشف شد، و موادی که در آزمایشگاه‌ها سنتز شده‌اند، مانند CeSil، کریستالی که اولین بار در کلمبیا در سال گذشته مونتاژ شد. از سریم، سیلیکون و ید تشکیل شده است. این مواد معمولاً به صورت سه بعدی شروع می شوند و دانشمندان آنها را تا دو بعدی جدا می کنند تا آزمایشاتی را روی آنها انجام دهند و بفهمند چه ویژگی های فیزیکی مانند ابررسانایی or مغناطیس، ممکن است زمانی پدیدار شوند که مواد به صورت اتمی مسطح باشند. دانشمندان در حال کار بر روی روش‌های جدیدی برای ساختن مواد دو بعدی از ابتدا، بدون نیاز به جدا کردن آنها از حالت سه بعدی هستند، اما کیفیت این مواد هنوز ناقص است.

بسیاری از چیزها مواد دوبعدی را جالب می‌کنند، اما یکی از اصلی‌ترین آنها این است که راه‌هایی را که ذراتی مانند الکترون‌ها می‌توانند در آنها حرکت کنند، محدود می‌کنند. شیمیدان کلمبیا خاویر روی از یک قیاس ترافیک برای توضیح استفاده کرد:

اینطور فکر کنید: اگر ماشین های پرنده ای داشتیم که می توانستند در فضای سه بعدی حرکت کنند، می توانستیم بیشتر ترافیک نیویورک را کاهش دهیم. اما از آنجایی که خودروهای فعلی ما فقط می توانند دو بعدی حرکت کنند، در نهایت با ترافیک عظیمی در میدان تایمز مواجه می شویم.

هنگامی که از سه بعدی به دو بعدی می رویم، همین اتفاق برای الکترون ها می افتد، اما در مورد ما، «ترافیک» بین الکترون ها سودمند است! همانطور که این برهمکنش های الکترون-الکترون قوی تر می شوند، می توانیم خواص یک ماده را کاملاً تغییر دهیم. به عنوان مثال، با کاهش ضخامت مواد فرمیون سنگین سه بعدی (یعنی با دو بعدی شدن آنها)، آنها می توانند از مغناطیسی به ابررسانا تبدیل شوند.

مواد دو بعدی را نیز می توان نسبتاً به راحتی تغییر داد: قرار دادن آنها با زوایای جزئی بین لایه ها، اعمال نیروهایی مانند میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی، و فشار دادن مواد با چرخاندن یا اعمال فشار به آنها می تواند خواص آنها را تغییر دهد. فقط یک مثال را در نظر بگیرید: با چیدن دو ورقه از ماده ای به نام تنگستن دیزلنید روی هم، چرخاندن آنها و افزودن یا حذف بار الکتریکی، مواد می تواند از یک فلز رسانای الکتریسیته به یک عایق مسدودکننده برق تبدیل شود و دوباره برگرد

دانشمندان همچنین از کاربردهای بالقوه مواد دو بعدی در فناوری که دانشمندان اغلب از آن به عنوان "کاربردها" یاد می کنند، هیجان زده هستند.

مواد دو بعدی احتمالا نقشی حیاتی در نسل بعدی الکترونیک از جمله کامپیوترهای کوانتومی که هنوز در حال توسعه هستند، ایفا خواهند کرد. چرا؟ تا حد زیادی، زیرا مواد دو بعدی بسیار کوچک با خواص منحصر به فرد و قابل کنترل (مانند ابررسانایی) هستند و فناوری همیشه در جستجوی چیزی است که بتواند سریعتر، کارآمدتر و با استفاده از فضای کمتر به نتایج دست یابد.

منبع: دانشگاه کلمبیا

تو می توانی لینک خود را ارائه دهید به صفحه ای که با موضوع این پست مرتبط است.