Ak ste v poslednej dobe čítali nejaké príbehy o kvantovom výskume, v Columbia News alebo inde, možno ste už počuli výraz 2D alebo dvojrozmerné materiály.
Ilustrácia atómovej štruktúry grafénu, formy ultra silného 2D uhlíka.
V januári chemici z Columbie zverejnili štúdiu o prvom 2D ťažký fermion, trieda materiálu s veľmi ťažkými elektrónmi. V novembri Inžinierska škola zverejnila príbeh na tému „Laserové riadenie 2D materiálu.“ A začiatkom minulého roka, výskumníci našli supravodivosť aj feroelektrinu v rovnakom 2D materiáli. Zoznam pokračuje.
Čo sú teda 2D materiály a prečo sa vedci tak zaujímajú?
Dvojrozmerné materiály sú presne také, ako znejú: Materiály, ktoré majú hrúbku len 1 alebo 2 atómy, ale sú širšie v každom inom smere. 2D materiály, s ktorými vedci pracujú, sú často veľké niekoľko mikrometrov štvorcových – neviditeľné voľným okom, ale viditeľné pomocou mikroskopu, ktorý ste mohli používať na hodinách prírodných vied na strednej škole. 2D materiály, s ktorými vedci pracujú, sú zmesou prirodzene sa vyskytujúcich materiálov, ako je grafén, forma ultra silného uhlíka objavená v Kolumbii v roku 2004, a materiály syntetizované v laboratóriách, ako CeSil, kryštál prvýkrát zostavený v Kolumbii minulý rok, zložené z céru, kremíka a jódu. Tieto materiály zvyčajne začínajú ako trojrozmerné a vedci ich olupujú do dvoch rozmerov, aby na nich mohli experimentovať a zistiť, aké fyzikálne vlastnosti sú napr. supravodivosť or magnetizmus, sa môže objaviť, keď sú materiály atómovo ploché. Vedci pracujú na vývoji nových spôsobov výroby 2D materiálov od nuly, bez toho, aby ich museli olupovať z 3D, no kvalita týchto materiálov je stále nedokonalá.
Mnoho vecí robí 2D materiály zaujímavými, ale hlavnou vecou je, že obmedzujú spôsoby, ktorými sa môžu častice ako elektróny pohybovať v nich. Chemik z Kolumbie Xavier Roy na vysvetlenie použil dopravnú analógiu:
„Premýšľajte o tom takto: Ak by sme mali lietajúce autá, ktoré by mohli cestovať v trojrozmernom priestore, dokázali by sme obmedziť väčšinu dopravy v New Yorku. Ale keďže naše súčasné autá môžu cestovať iba v dvoch rozmeroch, skončíme s obrovskými dopravnými zápchami na Times Square,“ povedal Roy v nedávnom rozhovore.
„To isté sa stane pre elektróny, keď prejdeme z 3D do 2D, ale v našom prípade je „premávka“ medzi elektrónmi výhodná! Keď sa tieto interakcie elektrón-elektrón stanú silnejšími, môžeme úplne zmeniť vlastnosti materiálu. Napríklad, keď sa hrúbka 3D ťažkých fermionových materiálov zníži (tj keď sa stanú viac 2D), môžu prejsť z magnetických na supravodivé.“
Dvojrozmerné materiály sa dajú tiež pomerne ľahko vyladiť: ich naskladnenie s miernymi uhlami medzi vrstvami, pôsobenie síl, ako sú elektrické polia a magnetické polia, a namáhanie materiálov krútením alebo tlakom na ne môže zmeniť ich vlastnosti. Zoberme si jeden príklad: Jednoduchým položením dvoch plátov materiálu nazývaného diselenid volfrámu na seba, ich otočením a pridaním alebo odstránením elektrického náboja materiál môže prejsť z elektricky vodivého kovu na elektrinu blokujúci izolátor a zase späť.
Vedci sú nadšení aj potenciálnym využitím 2D materiálov v technológii, ktorú vedci často označujú ako „aplikácie“.
Dvojrozmerné materiály budú pravdepodobne zohrávať zásadnú úlohu v ďalšej generácii elektroniky, vrátane kvantových počítačov, ktoré sú stále vo vývoji. prečo? Z veľkej časti preto, že 2D materiály sú ultra-malé s jedinečnými, kontrolovateľnými vlastnosťami (ako je supravodivosť) a technológia vždy hľadá niečo, čo môže dosiahnuť výsledky rýchlejšie, efektívnejšie a s menším priestorom.
zdroj: Columbia University
