Dacă ați citit vreo poveste despre cercetarea cuantică în ultima vreme, în Columbia News sau în altă parte, este posibil să fi auzit termenul Materiale 2D sau bidimensionale.
O ilustrare a structurii atomice a grafenului, o formă de carbon 2D ultra-puternic.
În ianuarie, chimiștii din Columbia au publicat un studiu despre primul fermion greu 2D, o clasă de material cu electroni foarte grei. În noiembrie, școala de inginerie a publicat o poveste despre „Conducerea cu laser a unui material 2D.” Și la începutul anului trecut, cercetătorii au descoperit atât supraconductivitate, cât și feroelectricitate în același material 2D. Lista continuă.
Deci, ce sunt materialele 2D și de ce sunt oamenii de știință atât de interesați?
Materialele bidimensionale sunt exact așa cum sună: materiale care au o grosime de doar 1 sau 2 atomi, dar mai late în orice altă direcție. Adesea, materialele 2D cu care lucrează oamenii de știință sunt mari de câțiva micrometri pătrați – invizibile cu ochiul liber, dar vizibile cu genul de microscop pe care l-ați fi folosit la orele de științe din liceu. Materialele 2D cu care lucrează oamenii de știință sunt un amestec de materiale naturale, cum ar fi grafenul, o formă de carbon ultra-puternic descoperit la Columbia în 2004, și materiale sintetizate în laboratoare, cum ar fi CeSil, un cristal asamblat pentru prima dată la Columbia anul trecut. compus din ceriu, siliciu și iod. Aceste materiale încep de obicei ca tridimensionale, iar oamenii de știință le dezlipesc în două dimensiuni pentru a efectua experimente pe ele și pentru a afla ce proprietăți fizice, cum ar fi supraconductibilitate or magnetism, ar putea apărea atunci când materialele sunt atom-plate. Oamenii de știință lucrează la dezvoltarea de noi modalități de a realiza materiale 2D de la zero, fără a fi nevoie să le dezlipească din 3D, dar calitatea acestora este încă imperfectă.
Multe lucruri fac materialele 2D interesante, dar unul principal este că limitează modurile în care particulele precum electronii se pot mișca în interiorul lor. Chimistul Columbia Xavier Roy a folosit o analogie de trafic pentru a explica:
„Gândește-te așa: dacă am avea mașini zburătoare care ar putea călători în spațiul tridimensional, am fi capabili să reducem cea mai mare parte a traficului din New York. Dar, din moment ce mașinile noastre actuale pot călători doar în două dimensiuni, ajungem cu blocaje uriașe în Times Square”, a spus Roy într-un interviu recent.
„Același lucru se întâmplă și cu electronii atunci când trecem de la 3D la 2D, dar în cazul nostru, „traficul” între electroni este benefic! Pe măsură ce aceste interacțiuni electron-electron devin mai puternice, putem schimba complet proprietățile unui material. De exemplu, pe măsură ce grosimea materialelor fermioni grele 3D este redusă (adică pe măsură ce devin mai 2D), ele pot trece de la a fi magnetice la supraconductoare.”
Materialele bidimensionale pot fi, de asemenea, modificate relativ ușor: stivuirea lor cu unghiuri ușoare între straturi, aplicarea forțelor precum câmpuri electrice și câmpuri magnetice și încordarea materialelor prin răsucire sau aplicarea presiunii asupra acestora le poate schimba proprietățile. Luați doar un exemplu: prin simpla stivuire a două foi dintr-un material numit diselenură de wolfram una peste alta, răsucirea lor și adăugarea sau îndepărtarea sarcinii electrice, materialul poate trece de la un metal conducător de electricitate la un izolator care blochează electricitatea și înapoi din nou.
Oamenii de știință sunt, de asemenea, entuziasmați de potențialele utilizări ale materialelor 2D în tehnologie, pe care oamenii de știință le numesc adesea „aplicații”.
Materialele bidimensionale vor juca probabil un rol vital în următoarea generație de electronice, inclusiv computerele cuantice aflate încă în curs de dezvoltare. De ce? În mare parte, pentru că materialele 2D sunt ultra-mici, cu proprietăți unice, controlabile (cum ar fi supraconductibilitatea), iar tehnologia este mereu în căutarea a ceva care poate obține rezultate mai rapid, mai eficient și folosind mai puțin spațiu.
Sursa: Universitatea Columbia
