Οι «ενδοκρύσταλλοι» θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο προς πιο πράσινα ηλεκτρονικά και κβαντικές τεχνολογίες επόμενης γενιάς. Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Rutgers-New Brunswick εντόπισαν έναν νέο τύπο υλικού, γνωστό ως ενδιάμεσοι κρύσταλλοι, οι οποίοι εμφανίζουν ασυνήθιστες ηλεκτρονικές συμπεριφορές που μπορεί να βοηθήσουν στη διαμόρφωση των μελλοντικών τεχνολογιών.
Η δημιουργία των κρυστάλλων
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Materials, περιγράφουν πώς οι ερευνητές δημιούργησαν ενδιάμεσους κρυστάλλους τοποθετώντας σε στρώσεις δύο φύλλα γραφενίου - το καθένα με πάχος μόλις ενός ατόμου και διατεταγμένα σε ένα πλέγμα που μοιάζει με κηρήθρα - πάνω σε έναν κρύσταλλο εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (μια ένωση που αποτελείται από βόριο και άζωτο). Στριφώνοντας ελαφρά τα στρώματα γραφενίου, παρήγαγαν μοτίβα moiré (παρόμοια με τα οπτικά κυματάκια που εμφανίζονται όταν δύο λεπτά πλέγματα επικαλύπτονται). Αυτή η μικρή δομική μετατόπιση επηρέασε δραματικά τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ταξίδευαν μέσα στο υλικό.
Έλεγχος Ηλεκτρονίων με Γεωμετρία
«Η ανακάλυψή μας ανοίγει έναν νέο δρόμο για τον σχεδιασμό υλικών», δήλωσε η Eva Andrei, Καθηγήτρια του Διοικητικού Συμβουλίου στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών Rutgers και κύρια συγγραφέας της μελέτης. «Οι διακρυστάλλοι μας δίνουν μια νέα λαβή για τον έλεγχο της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς χρησιμοποιώντας μόνο τη γεωμετρία, χωρίς να χρειάζεται να αλλάξουμε τη χημική σύνθεση του υλικού».
Κατανοώντας και ελέγχοντας τις μοναδικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων στους διακρυστάλλους, οι επιστήμονες μπορούν να τους χρησιμοποιήσουν για να αναπτύξουν τεχνολογίες όπως πιο αποτελεσματικά τρανζίστορ και αισθητήρες που προηγουμένως απαιτούσαν ένα πιο σύνθετο μείγμα υλικών και επεξεργασίας, ανέφεραν οι ερευνητές.
«Μπορείτε να φανταστείτε να σχεδιάζετε ένα ολόκληρο ηλεκτρονικό κύκλωμα όπου κάθε λειτουργία - μεταγωγή, ανίχνευση, διάδοση σήματος - ελέγχεται με ρύθμιση της γεωμετρίας σε ατομικό επίπεδο», δήλωσε η Jedediah Pixley, αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Οι διακρυστάλλοι θα μπορούσαν να είναι τα δομικά στοιχεία τέτοιων μελλοντικών τεχνολογιών.
«Η ανακάλυψη βασίζεται σε μια ανερχόμενη τεχνική στη σύγχρονη φυσική που ονομάζεται «twistronics», όπου στρώματα υλικών παραμορφώνονται σε συγκεκριμένες γωνίες για να δημιουργήσουν μοτίβα moiré. Αυτές οι διαμορφώσεις αλλάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα στην ουσία, οδηγώντας σε ιδιότητες που δεν βρίσκονται σε κανονικούς κρυστάλλους.
Η θεμελιώδης ιδέα αποδείχθηκε για πρώτη φορά από την Andrei και την ομάδα της το 2009, όταν έδειξαν ότι τα μοτίβα moiré στο στριμμένο γραφένιο αναδιαμορφώνουν δραματικά την ηλεκτρονική του δομή. Αυτή η ανακάλυψη βοήθησε στην ανάπτυξη του τομέα της στριστρονικής.
Πέρα από τους Συμβατικούς Κρυστάλλους
Τα ηλεκτρόνια είναι μικροσκοπικά σωματίδια που κινούνται στα υλικά και είναι υπεύθυνα για την αγωγή του ηλεκτρισμού. Στους κανονικούς κρυστάλλους, οι οποίοι διαθέτουν ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο ατόμων που σχηματίζουν ένα τέλεια διατεταγμένο πλέγμα, ο τρόπος με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια είναι καλά κατανοητός και προβλέψιμος. Εάν ένας κρύσταλλος περιστραφεί ή μετατοπιστεί κατά ορισμένες γωνίες ή αποστάσεις, φαίνεται ο ίδιος λόγω ενός εγγενούς χαρακτηριστικού που είναι γνωστό ως συμμετρία.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των διακρυστάλλων, ωστόσο, μπορούν να ποικίλλουν σημαντικά με μικρές αλλαγές στη δομή τους. Αυτή η μεταβλητότητα μπορεί να οδηγήσει σε νέες και ασυνήθιστες συμπεριφορές, όπως η υπεραγωγιμότητα και ο μαγνητισμός, που δεν βρίσκονται συνήθως σε κανονικούς κρυστάλλους. Τα υπεραγώγιμα υλικά προσφέρουν την υπόσχεση συνεχούς ροής ηλεκτρικού ρεύματος επειδή άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση.
Οι διακρυστάλλοι θα μπορούσαν να αποτελέσουν μέρος των νέων κυκλωμάτων για ηλεκτρονικά χαμηλής απώλειας και ατομικούς αισθητήρες που θα μπορούσαν να διαδραματίσουν ρόλο στην κατασκευή κβαντικών υπολογιστών και να τροφοδοτήσουν νέες μορφές καταναλωτικών τεχνολογιών, ανέφεραν οι επιστήμονες. Τα υλικά προσφέρουν επίσης την προοπτική να λειτουργήσουν ως βάση για πιο φιλικές προς το περιβάλλον ηλεκτρονικές τεχνολογίες.
«Επειδή αυτές οι δομές μπορούν να κατασκευαστούν από άφθονα, μη τοξικά στοιχεία όπως άνθρακα, βόριο και άζωτο, αντί για στοιχεία σπάνιων γαιών, προσφέρουν επίσης μια πιο βιώσιμη και κλιμακώσιμη οδό για μελλοντικές τεχνολογίες», είπε ο Αντρέι.
Μια Νέα Φάση της Ύλης
Οι διακρυστάλλοι δεν διακρίνονται μόνο από τους συμβατικούς κρυστάλλους. Διαφέρουν επίσης από τους ημικρυστάλλους, έναν ειδικό τύπο κρυστάλλου που ανακαλύφθηκε το 1982 με μια διατεταγμένη δομή αλλά χωρίς το επαναλαμβανόμενο μοτίβο που βρίσκεται στους κανονικούς κρυστάλλους.
Τα μέλη της ερευνητικής ομάδας ονόμασαν την ανακάλυψή τους «διακρυστάλλους» επειδή είναι ένα μείγμα μεταξύ κρυστάλλων και ημικρυστάλλων: έχουν μη επαναλαμβανόμενα μοτίβα όπως οι ημικρύσταλλοι, αλλά μοιράζονται συμμετρίες κοινές με τους κανονικούς κρυστάλλους.
«Η ανακάλυψη των ημικρυστάλλων τη δεκαετία του 1980 αμφισβήτησε τους παλιούς κανόνες σχετικά με την ατομική τάξη», είπε ο Αντρέι. «Με τους διακρυστάλλους, προχωράμε ένα βήμα παραπέρα, δείχνοντας ότι τα υλικά μπορούν να κατασκευαστούν για να έχουν πρόσβαση σε νέες φάσεις της ύλης αξιοποιώντας τη γεωμετρική ματαίωση στη μικρότερη κλίμακα».
Οι ερευνητές του Rutgers είναι αισιόδοξοι για τις μελλοντικές εφαρμογές των διακρυστάλλων, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για εξερεύνηση και χειρισμό. τις ιδιότητες των υλικών σε ατομικό επίπεδο.
«Αυτή είναι μόνο η αρχή», είπε ο Pixley. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε πού θα μας οδηγήσει αυτή η ανακάλυψη και πώς θα επηρεάσει την τεχνολογία και την επιστήμη τα επόμενα χρόνια».
www.worldenergynews.gr
