Ako ste u zadnje vrijeme čitali bilo kakve priče o kvantnom istraživanju, u Columbia News ili drugdje, možda ste čuli za taj izraz 2D ili dvodimenzionalni materijali.
Ilustracija atomske strukture grafena, oblika ultra-jakog 2D ugljika.
U siječnju su kemičari Columbije objavili studiju o prvom 2D teški fermion, klasa materijala s vrlo teškim elektronima. U studenom je Strojarska škola objavila priču o “Lasersko pokretanje 2D materijala.” I ranije prošle godine, istraživači su pronašli i supravodljivost i feroelektricitet u istom 2D materijalu. Popis se nastavlja.
Dakle, što su 2D materijali i zašto su znanstvenici toliko zainteresirani?
Dvodimenzionalni materijali su upravo ono što zvuče: materijali koji su debeli samo 1 ili 2 atoma, ali su širi u svakom drugom smjeru. Često su 2D materijali s kojima znanstvenici rade veliki nekoliko kvadratnih mikrometara – nevidljivi golim okom, ali vidljivi mikroskopom koji ste možda koristili u srednjoškolskoj nastavi prirodoslovlja. 2D materijali s kojima znanstvenici rade mješavina su prirodnih materijala, poput grafena, oblika ultra jakog ugljika otkrivenog na Columbiji 2004., i materijala sintetiziranih u laboratorijima, poput CeSila, kristala koji je prvi put sastavljen na Columbiji prošle godine, sastoji se od cerija, silicija i joda. Ovi materijali obično počinju kao trodimenzionalni, a znanstvenici ih ljušte u dvije dimenzije kako bi na njima proveli pokuse i otkrili koja fizička svojstva, npr. superprovodljivost or magnetizam, može se pojaviti kada su materijali atomski ravni. Znanstvenici rade na razvoju novih načina za izradu 2D materijala od nule, bez potrebe da ih ljušte iz 3D, ali njihova je kvaliteta još uvijek nesavršena.
Mnoge stvari čine 2D materijale zanimljivima, ali primarna je ta da ograničavaju načine na koje se čestice poput elektrona mogu kretati unutar njih. Kolumbijski kemičar Xavier Roy upotrijebio prometnu analogiju za objašnjenje:
“Razmislite o tome ovako: kad bismo imali leteće automobile koji bi mogli putovati u trodimenzionalnom prostoru, mogli bismo smanjiti većinu prometa u New Yorku. Ali budući da naši trenutni automobili mogu putovati samo u dvije dimenzije, na kraju imamo velike prometne gužve na Times Squareu,” rekao je Roy u nedavnom intervjuu.
“Ista stvar se događa s elektronima kada prijeđemo iz 3D u 2D, ali u našem slučaju, 'promet' između elektrona je koristan! Kako te elektron-elektron interakcije postaju jače, možemo potpuno promijeniti svojstva materijala. Na primjer, kako se debljina 3D teških fermionskih materijala smanjuje (tj. kako postaju sve više 2D), oni mogu prijeći iz magnetskih u supravodljive.”
Dvodimenzionalni materijali također se mogu relativno lako prilagoditi: njihovo slaganje pod malim kutovima između slojeva, primjena sila poput električnih i magnetskih polja i naprezanje materijala uvijanjem ili primjenom pritiska mogu promijeniti njihova svojstva. Uzmimo samo jedan primjer: jednostavnim slaganjem dvaju listova materijala koji se zove volframov diselenid jedan na drugi, uvijanjem i dodavanjem ili uklanjanjem električnog naboja, materijal može prijeći s metala koji provodi električnu struju na izolator koji blokira struju i opet natrag.
Znanstvenici su također uzbuđeni potencijalnom upotrebom 2D materijala u tehnologiji, koju znanstvenici često nazivaju "aplikacijama".
Dvodimenzionalni materijali vjerojatno će igrati vitalnu ulogu u sljedećoj generaciji elektronike, uključujući kvantna računala koja su još uvijek u razvoju. Zašto? Velikim dijelom zato što su 2D materijali ultra-mali s jedinstvenim svojstvima koja se mogu kontrolirati (poput supravodljivosti), a tehnologija je uvijek u potrazi za nečim što može postići rezultate brže, učinkovitije i uz upotrebu manje prostora.
Izvor: Sveučilište Columbia
