Als je de laatste tijd verhalen over kwantumonderzoek hebt gelezen, in Columbia News of elders, heb je misschien van de term gehoord 2D- of tweedimensionale materialen.
Een illustratie van de atomaire structuur van grafeen, een vorm van ultrasterke 2D-koolstof.
In januari publiceerden scheikundigen uit Columbia een onderzoek over de eerste 2D zwaar fermion, een materiaalklasse met zeer zware elektronen. In november publiceerde de Technische school een verhaal over “Laserrijden van een 2D-materiaal.” En eerder vorig jaar, onderzoekers vonden zowel supergeleiding als ferro-elektriciteit in hetzelfde 2D-materiaal. De lijst gaat verder.
Wat zijn 2D-materialen en waarom zijn wetenschappers zo geïnteresseerd?
Tweedimensionale materialen zijn precies hoe ze klinken: materialen die slechts 1 of 2 atomen dik zijn, maar breder in elke andere richting. Vaak zijn de 2D-materialen waarmee wetenschappers werken enkele vierkante micrometers groot – onzichtbaar voor het blote oog, maar zichtbaar met het soort microscoop dat je misschien hebt gebruikt in de natuurkundelessen op de middelbare school. De 2D-materialen waarmee wetenschappers werken zijn een mix van natuurlijk voorkomende materialen, zoals grafeen, een vorm van ultrasterke koolstof die in 2004 in Columbia werd ontdekt, en materialen die in laboratoria zijn gesynthetiseerd, zoals CeSil, een kristal dat vorig jaar voor het eerst in Columbia werd geassembleerd. samengesteld uit cerium, silicium en jodium. Deze materialen beginnen meestal als driedimensionaal, en wetenschappers pellen ze af tot twee dimensies om er experimenten mee uit te voeren en uit te zoeken welke fysische eigenschappen, zoals supergeleiding or magnetisme, zou kunnen ontstaan als de materialen atomair plat zijn. Wetenschappers werken aan de ontwikkeling van nieuwe manieren om 2D-materialen helemaal opnieuw te maken, zonder ze uit 3D te hoeven halen, maar de kwaliteit hiervan is nog steeds niet perfect.
Er zijn veel dingen die 2D-materialen interessant maken, maar een van de belangrijkste is dat ze de manieren beperken waarop deeltjes zoals elektronen erin kunnen bewegen. Columbia-chemicus Xavier Roy gebruikte een verkeersanalogie om dit uit te leggen:
“Zie het zo: als we vliegende auto’s hadden die in de driedimensionale ruimte konden reizen, zouden we het grootste deel van het verkeer in New York kunnen verminderen. Maar omdat onze huidige auto's alleen in twee dimensies kunnen reizen, krijgen we enorme files op Times Square”, zei Roy in een recent interview.
“Hetzelfde gebeurt met elektronen als we van 3D naar 2D gaan, maar in ons geval is 'verkeer' tussen elektronen gunstig! Naarmate deze elektron-elektron-interacties sterker worden, kunnen we de eigenschappen van een materiaal volledig veranderen. Naarmate de dikte van 3D-zware fermionmaterialen bijvoorbeeld wordt verminderd (dat wil zeggen naarmate ze meer 2D worden), kunnen ze overgaan van magnetisch naar supergeleidend.”
Tweedimensionale materialen kunnen ook relatief eenvoudig worden aangepast: door ze met kleine hoeken tussen de lagen te stapelen, krachten uit te oefenen zoals elektrische velden en magnetische velden, en de materialen te spannen door ze te draaien of er druk op uit te oefenen, kunnen hun eigenschappen veranderen. Neem slechts één voorbeeld: door simpelweg twee vellen van een materiaal genaamd wolfraamdiselenide op elkaar te stapelen, ze te draaien en elektrische lading toe te voegen of te verwijderen, kan het materiaal kan overschakelen van een elektriciteitsgeleidend metaal naar een elektriciteitsblokkerende isolator en weer terug.
Wetenschappers zijn ook enthousiast over de potentiële toepassingen van 2D-materialen in de technologie, die wetenschappers vaak ‘toepassingen’ noemen.
Tweedimensionale materialen zullen waarschijnlijk een cruciale rol spelen in de volgende generatie elektronica, inclusief kwantumcomputers die nog in ontwikkeling zijn. Waarom? Voor een groot deel omdat 2D-materialen ultraklein zijn met unieke, regelbare eigenschappen (zoals supergeleiding) en de technologie altijd op zoek is naar iets waarmee sneller en efficiënter resultaten kunnen worden behaald, en met minder ruimtegebruik.
Bron: Columbia University
