Se ultimamente hai letto qualche articolo sulla ricerca quantistica, su Columbia News o altrove, potresti aver sentito questo termine Materiali 2D o bidimensionali.
Un'illustrazione della struttura atomica del grafene, una forma di carbonio 2D ultra resistente.
A gennaio, i chimici della Columbia hanno pubblicato uno studio sul primo Fermione pesante 2D, una classe di materiali con elettroni molto pesanti. A novembre la facoltà di Ingegneria ha pubblicato un articolo su “Guida laser di un materiale 2D.” E all'inizio dell'anno scorso, i ricercatori hanno scoperto sia la superconduttività che la ferroelettricità nello stesso materiale 2D. La lista continua.
Allora, cosa sono i materiali 2D e perché gli scienziati sono così interessati?
I materiali bidimensionali sono proprio quello che sembrano: materiali che hanno uno spessore di solo 1 o 2 atomi ma più larghi in ogni altra direzione. Spesso i materiali 2D con cui lavorano gli scienziati sono grandi pochi micrometri quadrati: invisibili a occhio nudo, ma visibili con il tipo di microscopio che potresti aver usato nelle lezioni di scienze delle scuole superiori. I materiali 2D con cui stanno lavorando gli scienziati sono un mix di materiali presenti in natura, come il grafene, una forma di carbonio ultra forte scoperto alla Columbia nel 2004, e materiali sintetizzati in laboratorio, come CeSil, un cristallo assemblato per la prima volta alla Columbia l'anno scorso. composto da cerio, silicio e iodio. Questi materiali di solito iniziano come tridimensionali e gli scienziati li riducono a due dimensioni per eseguire esperimenti su di essi e scoprire quali proprietà fisiche, come superconduttività or magnetismo, potrebbero emergere quando i materiali sono atomi piatti. Gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di nuovi modi per creare materiali 2D da zero, senza bisogno di staccarli dal 3D, ma la qualità di questi è ancora imperfetta.
Molte cose rendono interessanti i materiali 2D, ma il principale è che limitano il modo in cui le particelle come gli elettroni possono muoversi al loro interno. Il chimico della Columbia Xavier Roy usato un'analogia del traffico per spiegare:
“Pensiamola in questo modo: se avessimo macchine volanti in grado di viaggiare nello spazio tridimensionale, saremmo in grado di ridurre la maggior parte del traffico a New York. Ma poiché le nostre auto attuali possono viaggiare solo in due dimensioni, ci ritroviamo con enormi ingorghi a Times Square”, ha detto Roy in una recente intervista.
“La stessa cosa accade per gli elettroni quando passiamo dal 3D al 2D, ma nel nostro caso il 'traffico' tra gli elettroni è vantaggioso! Man mano che queste interazioni elettrone-elettrone diventano più forti, possiamo cambiare completamente le proprietà di un materiale. Ad esempio, quando lo spessore dei materiali fermionici pesanti 3D si riduce (cioè quando diventano più 2D), possono passare dall’essere magnetici a superconduttori”.
I materiali bidimensionali possono anche essere modificati con relativa facilità: impilarli con leggeri angoli tra gli strati, applicare forze come campi elettrici e campi magnetici e tendere i materiali torcendoli o applicando pressione su di essi possono modificarne le proprietà. Prendiamo solo un esempio: semplicemente impilando due fogli di un materiale chiamato diseleniuro di tungsteno uno sopra l'altro, torcendoli e aggiungendo o rimuovendo carica elettrica, il materiale può passare da un metallo conduttore di elettricità a un isolante che blocca l'elettricità e di nuovo indietro.
Gli scienziati sono inoltre entusiasti dei potenziali usi dei materiali 2D nella tecnologia, che gli scienziati spesso chiamano “applicazioni”.
I materiali bidimensionali giocheranno probabilmente un ruolo vitale nella prossima generazione di elettronica, compresi i computer quantistici ancora in fase di sviluppo. Perché? In gran parte perché i materiali 2D sono ultra-piccoli con proprietà uniche e controllabili (come la superconduttività) e la tecnologia è sempre alla ricerca di qualcosa che possa ottenere risultati in modo più rapido, più efficiente e utilizzando meno spazio.
Fonte: Columbia University
