אם קראת סיפורים כלשהם על מחקר קוונטי לאחרונה, בחדשות קולומביה או במקומות אחרים, אולי שמעתם את המונח חומרים דו מימדיים או דו מימדיים.
המחשה של המבנה האטומי של גרפן, צורה של פחמן דו מימדי חזק במיוחד.
בינואר פרסמו כימאים של קולומביה מחקר על הראשון פרמיון כבד דו מימדי, סוג של חומר עם אלקטרונים כבדים מאוד. בנובמבר פרסם בית הספר להנדסה כתבה בנושא "נהיגה בלייזר בחומר דו מימדי." ובתחילת השנה שעברה, חוקרים מצאו גם מוליכות-על וגם פרואלקטריות באותו חומר דו-ממדי. הרשימה עוד ארוכה.
אז, מהם חומרים דו-ממדיים ולמה מדענים מתעניינים כל כך?
חומרים דו מימדיים הם בדיוק מה שהם נשמעים כמו: חומרים שעובים רק 1 או 2 אטומים אך רחבים יותר בכל כיוון אחר. לעתים קרובות החומרים הדו-ממדיים שמדענים עובדים איתם הם בגודל של כמה מיקרומטרים רבועים - בלתי נראים בעין בלתי מזוינת, אבל נראים עם סוג המיקרוסקופ שאולי השתמשת בו בשיעורי מדעים בתיכון. החומרים הדו-ממדיים שאיתם עובדים מדענים הם תערובת של חומרים טבעיים, כמו גרפן, סוג של פחמן חזק במיוחד שהתגלה בקולומביה ב-2, וחומרים שסונתזו במעבדות, כמו CeSil, קריסטל שהורכב לראשונה בקולומביה בשנה שעברה, מורכב מצריום, סיליקון ויוד. חומרים אלה מתחילים בדרך כלל כתלת מימדיים, ומדענים מקלפים אותם לשני מימדים כדי לערוך עליהם ניסויים ולגלות אילו תכונות פיזיקליות, כמו מוליכות על or מגנטיות, עשוי להופיע כאשר החומרים שטוחים באטום. מדענים עובדים על פיתוח דרכים חדשות ליצור חומרים דו-ממדיים מאפס, ללא צורך לקלף אותם מתלת-ממד, אך האיכות של אלה עדיין לא מושלמת.
דברים רבים הופכים חומרים דו-ממדיים למעניינים, אך הדבר העיקרי הוא שהם מגבילים את הדרכים שבהן חלקיקים כמו אלקטרונים יכולים לנוע בתוכם. כימאי קולומביה חאבייר רוי השתמש באנלוגיית תנועה כדי להסביר:
"תחשוב על זה כך: אם היו לנו מכוניות מעופפות שיכלו לנסוע במרחב תלת מימדי, היינו יכולים לצמצם את רוב התנועה בניו יורק. אבל מכיוון שהמכוניות הנוכחיות שלנו יכולות לנסוע רק בדו מימד, אנחנו מסתיימים עם פקקי תנועה ענקיים בטיימס סקוור", אמר רוי בראיון שנערך לאחרונה.
"אותו דבר קורה לאלקטרונים כאשר אנו עוברים מתלת מימד לדו מימד, אבל במקרה שלנו, 'תנועה' בין אלקטרונים מועילה! ככל שאינטראקציות האלקטרון-אלקטרון הללו מתחזקות, אנו יכולים לשנות לחלוטין את התכונות של חומר. לדוגמה, ככל שהעובי של חומרי פרמיון כבדים בתלת-ממד מצטמצם (כלומר ככל שהם הופכים ליותר דו-ממדיים), הם יכולים לעבור מלהיות מגנטיים למוליכים-על".
חומרים דו-ממדיים ניתנים גם לשינוי קל יחסית: ערימתם בזוויות קלות בין השכבות, הפעלת כוחות כמו שדות חשמליים ושדות מגנטיים, ומאמץ של החומרים על ידי פיתול או הפעלת לחץ עליהם יכולים לשנות את תכונותיהם. קח רק דוגמה אחת: פשוט על ידי ערימת שתי יריעות של חומר בשם טונגסטן דיסלניד זה על גבי זה, סיבובם והוספה או הסרה של מטען חשמלי, החומר יכול לעבור ממתכת מוליכת חשמל למבודד חוסם חשמל ובחזרה.
מדענים מתלהבים גם מהשימושים הפוטנציאליים של חומרים דו-ממדיים בטכנולוגיה, שלעתים קרובות מכנים מדענים "יישומים".
חומרים דו מימדיים כנראה ישחקו תפקיד חיוני בדור הבא של האלקטרוניקה, כולל מחשבים קוונטיים שעדיין נמצאים בפיתוח. למה? במידה רבה, מכיוון שחומרי 2D הם קטנים במיוחד עם תכונות ייחודיות וניתנות לשליטה (כמו מוליכות-על), והטכנולוגיה תמיד מחפשת משהו שיכול להשיג תוצאות מהר יותר, ביעילות רבה יותר ושימוש בפחות מקום.
מקור: קולומביה
