قوى خارقة من مواد فائقة الرقة: في علم المواد ، 2D هو 3D الجديد

غرفة فراغية ، حيث يقيس التحليل الطيفي بالأشعة السينية خصائص المواد - مربعات صغيرة من ألوان مختلفة مثبتة على حامل نحاسي.

في السنوات الأخيرة ، وصلت الأجهزة المتصلة بالإنترنت إلى العديد من الحدود الجديدة - على المعصمين والثلاجات وأجراس الباب والسيارات. ومع ذلك ، يعتقد بعض الباحثين أن "إنترنت الأشياء" لم يتم تطويره بعد.

قال توماس بالاسيوس ، مهندس كهربائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرًا: "ماذا لو تمكنا من تضمين الإلكترونيات في أي مكان". - ماذا لو تمكنا من الحصول على الطاقة من الألواح الشمسية المدمجة في الطريق السريع ، ويمكن بناء خلايا الحمل في الأنفاق والجسور لمراقبة حالة الخرسانة؟ ماذا لو استطعنا النظر إلى الخارج ورؤية توقعات الطقس على الزجاج؟ أو تضمين إلكترونيات تتتبع صحة الإنسان في سترة؟ "

في يناير 2019 ، نشر بالاسيوس وزملاؤه في مجلة وظائف الطبيعةوصف الاختراع ، قادر على تقريب هذا المستقبل قليلاً: هوائي يمكنه امتصاص Wi-Fi و Bluetooth والهواتف المحمولة منه أكثر فأكثر ، وتحويلها بشكل فعال إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

مفتاح هذه التكنولوجيا هو مادة واعدة: كبريتيد الموليبدينوم ، MoS ₂ ، وضعت في طبقة مسطحة بسمك ثلاث ذرات فقط. في عالم الهندسة ، يكاد يكون من المستحيل فعل أي شيء أرق.

ومثل هذه السماكة الصغيرة شيء مفيد. على سبيل المثال ، باستخدام MoS _{2 ،} يمكنك تغطية سطح الطاولة وتحويله إلى شاحن كمبيوتر محمول لا يتطلب أسلاكًا.

من وجهة نظر الباحثين ، ستصبح المواد ثنائية الأبعاد ركيزة "إنترنت كل شيء". سيقومون "بطلاء" الجسور وجعلها أجهزة استشعار تراقب الحمل والشقوق. سيتم فرضها على النوافذ بطبقة شفافة ، والتي ستصبح مرئية فقط عند عرض المعلومات. وإذا نجح الفريق في إنشاء جهاز لامتصاص موجات الراديو ، فسيكون قادرًا على تشغيل هذه الإلكترونيات في كل مكان. المستقبل يبدو مسطحا أكثر فأكثر.

قال جيف أوربان ، باحث المواد ثنائي الأبعاد في المصنع الجزيئي في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا: "يتزايد الاهتمام بهذا الموضوع بشكل كبير". "لا يمكنك أن تقول غير ذلك."


يعتقد توماس بالاسيوس أن مستقبل الإلكترونيات يكمن في الأسطح المستوية


قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإنشاء دوائر إلكترونية صغيرة من الجرافين ، وهو نوع ثنائي الأبعاد من الكربون


Palacios مع فقاعة تحتوي على عدة آلاف من دوائر الجرافين الإلكترونية الدقيقة


Yuxuan Lin ، وهو باحث من مختبر Palacios ، يقوم بإعداد معدات للعمل مع دوائر ثنائية الأبعاد

تصميمات مسطحة تفتح جميع الأبواب

بدأت موضة الكيمياء ثنائية الأبعاد في عام 2004 ، عندما استخدم باحثان من معهد مانشستر الشريط اللاصق لتقشير طبقة كربون أحادية الذرة من قطع من الجرافيت ، وبالتالي إنتاج الجرافين. يتطابق الجرافين في تكوينه مع الجرافيت والماس ، لكن سمكه الصغير يمنحه خصائص خاصة جدًا: فهو مرن وشفاف وقوي للغاية ويقوم بتوصيل الكهرباء والكهرباء بشكل استثنائي.

بدأ الباحثون على الفور في صنع جميع أنواع الأدوات الجديدة والمحسنة بها. لقد أصدرت العديد من الشركات بالفعل سماعات الرأس ، حيث يتكون الحجاب الحاجز - وهو غشاء اهتزازي ينتج الصوت في الأجهزة الصوتية - من الجرافين. يضيف بعض مصنعي الطلاء الجرافين إلى صيغهم للحفاظ على الطلاء لفترة أطول. في أكتوبر ، قدمت Huawei هاتف Mate 20 X الكبير والقوي ، والذي يستخدم الجرافين لتبريد المعالج. استخدمت Samsung الجرافين لتطوير بطارية ذات شحن سريع ، وقد تظهر على الهواتف في المستقبل القريب.

يعمل Urban مع مواد ثنائية الأبعاد لتحسين خصائص خلايا الوقود ، وهو أحد خيارات الوقود "النظيف" للنقل "الصديق للبيئة". تولد معظم خلايا الوقود الكهرباء من الهيدروجين ، ولكن حتى عند الضغط المرتفع ، يأخذ الهيدروجين مساحة عدة مرات أكثر من البنزين ، قابلة للمقارنة في محتوى الطاقة ، ونتيجة لذلك يصبح من غير العملي استخدام الهيدروجين في السيارات.

بدلاً من ذلك ، يُدخل أوربان ذرات الهيدروجين في المواد الصلبة التي تزيد كثافتها عدة مرات عن كثافة الغازات. في مارس ، أعلن هو وزملاؤه عن إنشاء نوع جديد من التخزين: بلورات مغنيسيوم صغيرة ملفوفة في شرائط ضيقة مما يسمى أشرطة نانوية من الجرافين. ووجدوا أن الهيدروجين المخزن بهذه الطريقة ينتج ما يقرب من الطاقة مثل البنزين بحجم مماثل ، ويزن أقل بكثير.

قارن Urban هذه العملية بخبز ملفات تعريف الارتباط مع رقائق الشوكولاتة ، ودورها هو المغنيسيوم الذي يحتوي على الهيدروجين. قال: "نحتاج إلى ملفات تعريف الارتباط التي تحتوي على أكبر عدد ممكن من رقائق الشوكولاتة" ، والشرائط النانوية من الجرافين تصنع عجينة ممتازة. تساعد أشرطة النانو أيضًا الهيدروجين على دخول بلورات المغنيسيوم والخروج منها بسرعة ، وحمل الأكسجين في الخارج ، ومحاربة الهيدروجين للحصول على مكان داخل البلورات.

ينظر Urban إلى عالم المواد الرقيقة جدًا في مختبر Advanced Light Source ، الموجود تحت قبة ، والذي يوفر إطلالات بانورامية على مدينة سان فرانسيسكو والخليج. هنا تولد الإلكترونات ، المتناثرة بسرعة الضوء تقريبًا ، أشعة سينية قوية يمكن استخدامها للاستشعار الدقيق للبنية الذرية للمواد.

في ALS ، اكتشف أوربان وزملاؤه كيف يلتف الجرافين بالضبط حول المغنيسيوم ويلصق به. يضمن هذا الاتصال بين المادتين استقرار المادة المركبة على مدى فترات طويلة من الزمن - وهذه خاصية مهمة لاستخدام المركب في ظروف حقيقية.


مختبر مصدر الضوء المتقدم ،


جيف أوربان ، باحث مواد ثنائي الأبعاد ، في مصنع الجزيئات في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا


تساعد خلايا الوقود التجريبية في قياس خصائص المواد فائقة الدقة في ظل ظروف مختلفة (عند التعرض للغاز أو السوائل أو ضوء الشمس أو المواد الكيميائية) باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة السينية باستخدام الأشعة السينية الناعمة. يستخدم


أخصائي الإشعاع Yi-Sheng Liu ، أحد أعضاء فريق Urban ، وحدة تحكم من أجل وضع موقع عينة المواد التي سيتم فيها إشعاع الأشعة السينية

باحثون آخرون طبقات فائقة الرقة من مادة مطوية في المكدس للحصول على كتل ثلاثية الأبعاد ، والتي خصائصها ichayutsya من كل من ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد من المواد التقليدية.

نشرت Kwabena Bedyako ، وهي كيميائية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، دراسة العام الماضي في مجلة Nature ، تصف كيف قامت وزملاؤها بوضع أيونات الليثيوم بين طبقات متعددة من مواد ثنائية الأبعاد ، بما في ذلك الجرافين.

"لقد بدأنا بقطعة من الخبز ، ونشرناها مع المايونيز ، ووضعناها على الجبن ، ثم على لحم الخنزير" ، قالت. "يمكنك تكرار ما تشاء ، وتحصل على شطيرة."

من خلال تغيير طبقات المكدس ، تمكن الباحثون من تحسين عملية تخزين الليثيوم ، وهذا يمكن أن يؤدي إلى إنشاء بطاريات جديدة عالية السعة للأجهزة الإلكترونية.

اكتشفت Xining Zang ، دكتوراه في علم المواد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، مؤخرًا طريقة بسيطة بشكل مدهش لوضع مواد ثنائية الأبعاد فوق بعضها البعض باستخدام الجيلاتين ، وهو منتج يعطي مربى البرتقال والخطمي تركيبها. جمع هو وزملاؤه الجيلاتين والأيونات المعدنية والماء. شكل الجيلاتين هيكلًا متعدد الطبقات (كما يحدث عادةً مع تكوين الهلام) ، والذي أعطى بنية طبقات لأيونات المعادن. يتفاعل جزء من الكربون في الجيلاتين مع المعدن ، وينتج أوراق كربيد معدنية ثنائية الأبعاد ؛ لقد عملوا كمحفزات ، مما يساعد على فصل الماء إلى أكسجين وهيدروجين - ويمكن استخدام هذه العملية في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء.

قال نيت هوكمان ، الذي عمل سابقًا في مصنع الجزيئات ، وواحد من مؤلفي العمل: "لا أستطيع أن أقول إن التكنولوجيا كانت بدائية ، لأنه إذا فكرت في الأمر ، فقد تبين أنها أنيقة جدًا". "خرج كل شيء عند تقاطع التقنيات العالية والمنخفضة."

صنع مواد أرق

إذا كانت المواد ثنائية الأبعاد مزدهرة ، فهي موجودة في سنغافورة ، في مختبر Liu Zheng ، في جامعة Nanyang للتكنولوجيا. تحاول سنغافورة أن تصبح "مدينة حديقة" ، وهذا البلد الصغير يملأ أراضيه بنشاط بالخضرة - بما في ذلك الجامعة ، حيث تزرع الحدائق في جميع أنحاء مبانيها الحديثة.

يعتبر تشنغ بحثه اختلافًا في طريقة زراعة النباتات. قال: "أنا بستاني". - لدي حديقة ثنائية الأبعاد بمجموعة متنوعة من الألوان. وكلها جميلة ".

في العام الماضي ، قام تشنغ وزملاؤه بتوسيع حديقتهم بشكل كبير ، حيث ابتكروا العشرات من المواد الجديدة ثنائية الأبعاد من فئة من المواد المركبة تسمى مركبات الكالوكوجينيد الانتقالية.(مركبات الكلكوجينيد الانتقالية ، TMC). وكان اكتشاف رئيسي هو استخدام ملح الطعام لخفض درجة انصهار المعادن. ونتيجة لذلك ، أصبح من الممكن تبخير المعدن بحيث يترسب على شكل أغشية رقيقة.


في مختبر Liu Zheng في جامعة Nanyang التكنولوجية ، يتم وضع طبقات من مواد ثنائية الأبعاد على ركائز السيليكون وتخزينها في حاويات.


جامعة Nanyang التكنولوجية في سنغافورة.


في مختبر Zheng ، يتم ترسيب البخار الكيميائي بواسطة طبقات ثنائية الأبعاد على ركائز السيليكون في أنابيب الكوارتز.


أدوات للتحكم الدقيق ومراقبة تدفق الغازات في حوض الكوارتز. أنابيب

"بمجرد تلميذي قال لي: أستطيع أن أفعل TMC مع الملح"، وقال تشنغ. - كنت متفاجئا. لقد كان حلمي لسنوات عديدة ".

أحد الأرفف في مختبر Zheng المحشو محشو بحاويات محكمة الغلق ؛ يتم تخزين ركائز السيليكون مع رواسب مواد ثنائية الأبعاد هناك. غالبًا ما تشكل الأفلام مثلثًا مرئيًا أو سداسيًا ، وفقًا للبنية الهندسية للبلورات المادية.

بعد وضع الأفلام ، ينتقل فريق Zheng إلى مختبر قريب لدراسة الهياكل الناتجة بعناية. يتم شغل معظم الغرفة بواسطة مجهر إلكتروني لناقل الحركة يبلغ طوله أربعة أمتار ووزن واحد ونصف طن - وهو جهاز ضخم لعرض الذرات الفردية.

العديد من الشركات عبر الوطنية ، بما في ذلك MoS ₂يمكن استخدام Palacios ، التي تمتص الموجات الراديوية ، في التطبيقات الصناعية المختلفة. يمكن أن يعمل سيلين البلاتين ثنائي الأبعاد من مختبر سنغافورة على إنتاج خلايا وقود أرخص ، والتي عادة ما تستخدم البلاتين ، الذي يفصل بروتون ذرة الهيدروجين عن الإلكترون. وقال تشنغ إن التحول إلى سيلينيد البلاتين ثنائي الأبعاد يمكن أن يقلل من كمية البلاتين المستخدمة بنسبة 99٪. تناقش جامعة Nanyang للتكنولوجيا بالفعل تسويق التكنولوجيا مع الشركات المصنعة. حتى الآن ، فإن المستقبل ليس ثنائي الأبعاد تمامًا بعد ، ولكنه قريب بالفعل من هذا.

قال تشنغ: "أرى الإمكانات التجارية الضخمة لهذه المواد". "يمكننا التأثير بشدة على السوق."


جهاز حراري مرن من Urban من أوراق الكربون النانوية ثنائية الأبعاد. تستهلك الأجهزة الكهروحرارية الطاقة من البيئة وتحولها إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/