Η έρευνα στα δισδιάστατα υλικά περνά σε νέα φάση, καθώς επιστήμονες από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ανέπτυξαν μια μέθοδο που επιτρέπει τη δημιουργία εξαιρετικά λεπτών μεταλλικών στρωμάτων, με πάχος λίγων μόνο ångström. Πρόκειται για μέταλλα τόσο λεπτά ώστε προσεγγίζουν το όριο του ατομικού πάχους, ανοίγοντας έναν νέο δρόμο πέρα από το γραφένιο, το υλικό που από το 2004 άλλαξε ριζικά την επιστήμη των νανοϋλικών.
Το γραφένιο έγινε διάσημο επειδή αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα και διαθέτει εξαιρετικές ηλεκτρικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Από τότε, οι επιστήμονες αναζητούν και άλλα υλικά που μπορούν να υπάρξουν σε δισδιάστατη μορφή. Μέχρι σήμερα έχουν προβλεφθεί θεωρητικά περίπου 2.000 τέτοια υλικά και αρκετές εκατοντάδες έχουν παραχθεί στο εργαστήριο. Ωστόσο, τα περισσότερα ανήκουν σε μια συγκεκριμένη κατηγορία κρυστάλλων, γνωστή ως υλικά van der Waals, όπου τα ατομικά στρώματα συγκρατούνται μεταξύ τους με σχετικά ασθενείς δυνάμεις.
Η μεγάλη πρόκληση ήταν η παραγωγή πραγματικών δισδιάστατων μετάλλων. Τα μέταλλα, σε αντίθεση με το γραφένιο ή άλλα στρωματικά υλικά, δεν «ξεφλουδίζονται» εύκολα σε μονοατομικά στρώματα. Η δημιουργία μεγάλων, σταθερών και ποιοτικών μεταλλικών φύλλων σε ατομική κλίμακα παρέμενε δύσκολη. Η νέα τεχνική, που ονομάζεται vdW squeezing, επιχειρεί να λύσει ακριβώς αυτό το πρόβλημα.
Η μέθοδος, η οποία έχει δημοσιευθεί στο επιστημονικό περιοδικό Nature, βασίζεται σε μια απλή αλλά ιδιαίτερα ακριβή ιδέα: καθαρά μέταλλα λιώνουν και στη συνέχεια συμπιέζονται ανάμεσα σε δύο άκαμπτα «αμόνια» van der Waals. Αυτά τα αμόνια αποτελούνται από μονοστρωματικό δισουλφίδιο του μολυβδαινίου πάνω σε ζαφείρι. Η εξαιρετικά λεία επιφάνειά τους επιτρέπει στο μέταλλο να απλωθεί σε ομοιόμορφο πάχος, ενώ η μεγάλη μηχανική αντοχή τους επιτρέπει την εφαρμογή υψηλής πίεσης χωρίς να καταρρέει η δομή.
Με αυτή τη διαδικασία οι ερευνητές κατάφεραν να παραγάγουν διάφορα ατομικά λεπτά μέταλλα, όπως βισμούθιο, κασσίτερο, μόλυβδο, ίνδιο και γάλλιο. Τα πάχη που αναφέρονται είναι εντυπωσιακά: περίπου 6,3 ångström για το βισμούθιο, 5,8 ångström για τον κασσίτερο, 7,5 ångström για τον μόλυβδο, 8,4 ångström για το ίνδιο και 9,2 ångström για το γάλλιο. Για να γίνει αντιληπτή η κλίμακα, ένα ångström ισούται με ένα δέκατο του νανομέτρου. Δηλαδή μιλάμε για υλικά που βρίσκονται κυριολεκτικά στο όριο του ατομικού πάχους.
Ένα κρίσιμο στοιχείο είναι ότι τα νέα δισδιάστατα μέταλλα δεν μένουν εκτεθειμένα στο περιβάλλον. Εγκλωβίζονται ανάμεσα σε δύο μονοστρώματα MoS₂, γεγονός που τα σταθεροποιεί και τα προστατεύει. Αυτή η πλήρης «ενθυλάκωση» επιτρέπει επίσης στους ερευνητές να μελετήσουν τις πραγματικές ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες τους, κάτι που μέχρι σήμερα ήταν δύσκολο. Στην περίπτωση του μονοστρωματικού βισμουθίου, οι μετρήσεις έδειξαν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, έντονη συμπεριφορά πεδίου τύπου p, μεγάλη μη γραμμική αγωγιμότητα Hall και νέους τρόπους δόνησης φωνονίων.
Η σημασία της ανακάλυψης δεν περιορίζεται στην παραγωγή λεπτότερων μετάλλων. Η τεχνική επιτρέπει έλεγχο του πάχους με ατομική ακρίβεια, δηλαδή παραγωγή μονοστρωματικών, διστρωματικών ή τριστρωματικών μεταλλικών φύλλων. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε νέα φυσικά φαινόμενα, επειδή οι ιδιότητες ενός υλικού αλλάζουν δραστικά όταν το πάχος του περιορίζεται σε λίγα άτομα.
Οι πιθανές εφαρμογές αφορούν μελλοντικές ηλεκτρονικές, φωτονικές και κβαντικές συσκευές. Δισδιάστατα μέταλλα με ελεγχόμενο πάχος θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε υπερλεπτά κυκλώματα, αισθητήρες, προηγμένα τρανζίστορ ή υλικά για νέες αρχιτεκτονικές υπολογιστών. Παράλληλα, η ίδια μέθοδος ίσως εφαρμοστεί και σε κράματα, άμορφα υλικά ή άλλες ενώσεις που μέχρι σήμερα δεν μπορούσαν να παραχθούν σε πραγματικά δισδιάστατη μορφή.
Η ανακάλυψη δείχνει ότι η εποχή των δισδιάστατων υλικών δεν τελειώνει στο γραφένιο. Αντίθετα, φαίνεται πως μόλις ανοίγει ένα ευρύτερο πεδίο, όπου ακόμη και τα μέταλλα μπορούν να σχεδιαστούν σε ατομικό επίπεδο. Αν η τεχνική αποδειχθεί κλιμακώσιμη και πρακτική, μπορεί να αποτελέσει βάση για μια νέα γενιά υλικών και συσκευών με ιδιότητες που μέχρι σήμερα ήταν κυρίως θεωρητικές.
Με πληροφορίες από scitechdaily.com
