المعادن 2D: "إضراب الحد من الأبعاد" في علوم المواد!

سمك المعدن ثنائي الأبعاد مجرد 1 ångströM (0.1 نانومتر) ، أي ما يعادل مليون سمك ورقة A4 القياسية. إذا تم ضغط مكعب معدني طوله 3 أمتار في طبقة ذرية واحدة ، فستكون مساحتها كافية لتغطية مدينة بكين بأكملها. يسبب هذا النحافة الشديدة تغييرات جذرية في الخواص الفيزيائية للمعادن—على سبيل المثال ، تُظهر البزموت أحادي الطبقة الموصلية الكهربائية أعلى من 10 مرات من نظيرها بالجملة ، ويمكن ضبط مقاومتها عبر الحقول الكهربائية ، مما يوفر مقاربة جديدة لرقائق الطاقة المنخفضة للغاية.

لأكثر من قرن ، يعتقد العلماء على نطاق واسع أنه لا يمكن جعل المعادن ثنائية الأبعاد. وذلك لأن الذرات المعدنية مرتبطة بالسندات المعدنية القوية ، في حين تعتمد المواد التقليدية ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين) على قوى فان دير وال الضعيفة بين الطبقات ، مما يسمح لها بالتقشير بسهولة مثل كومة من الفطائر. ومع ذلك ، تشبه المعادن "البسكويت المضغوط" ، مما يجعل من المستحيل تقريبًا عزل طبقة واحدة. لم يتم كسر هذا الجمود إلا عندما اخترع فريق بحث صيني "تقنية بثق Van der Waals".

التكنولوجيا الأساسية: سر "الدبوس المتداول" الذري

1. كيفية ضغط المعادن في ورقة ذرية؟
   يكمن اختراق الفريق في "تقنية بثق Van der Waals":

   • خطوة 1:  تسخين المعدن حتى تنحني ، وتحويله إلى "العجين" الذري المتدفق.

   • خطوة 2:  استخدم ثاني كبريتيد Monolayer Molybdenum (MOS₂) باعتباره "دبوس متداول نانو" ، وهو شطور وقذف المعدن المنصهر من أعلى وأسفل.

   • خطوة 3:  بعد التبريد ، يتم الحصول على طبقة ذرية واحدة من المعدن. ثم يتم تغليفه مع MOS₂ للحماية من الأكسدة والتدهور.
     Mos₂ ، مع نقطة الانصهار التي تتجاوز 2692°C والاستقرار الكيميائي الممتاز ، بمثابة "السندان النهائي" المثالي.

كانت المواد 2D السابقة عرضة للغاية للأكسدة والتدهور. ومع ذلك ، فإن تكنولوجيا التغليف للفريق الصيني تمكن المعادن ثنائية الأبعاد من البقاء مستقرة في الهواء المحيط لأكثر من عام دون تدهور الأداء. هذا يعني أنها لم تعد "زهورًا ساخنة" هشة محصورة في المختبر ، ولكن المواد جاهزة للتطبيقات في العالم الحقيقي.

آفاق التطبيق: ثورة تقنية عبر المجال

1. الإلكترونيات: "مغير اللعبة" لصناعة الرقائق
   يمكن للطبيعة الرفيعة للمعادن ثنائية الأبعاد أن تقلل بشكل كبير من حجم الترانزستور واستهلاك الطاقة. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدامها لتوصيلات الدائرة إلى ما وراء الحدود المادية لعمليات التصنيع التقليدية ، مما يحتمل أن يمكّن آلات الطباعة الحجرية 28NM لإنتاج رقائق مع الأداء تقترب من العقد 5NM. من المتوقع أيضًا أن تتوقع أيضًا اختراقات في أجهزة الاتصال عالية التردد والعروض المرنة الشفافة.

2. التكنولوجيا الكمومية: فتح "باب جديد" للعالم المجهري
   عندما يتم تخفيف المعادن إلى بعض الطبقات الذرية ، تهيمن التأثيرات الكمومية على خصائصها. ستصبح المعادن ثنائية الأبعاد منصة رئيسية لدراسة تأثيرات قاعة الكم ، الموصلية الفائقة ، والانتقالات الطوبولوجية للمرحلة ، مما يحتمل أن يتسارع الإدراك العملي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

3. طاقة & الحفز: "محرك أخضر" لارتفاع الكفاءة
   يمكن أن تعزز مساحة السطح الهائلة من المعادن ثنائية الأبعاد كفاءة التفاعل الحفاز بعشرات الأوقات. تشمل التطبيقات المستقبلية الخلايا الشمسية ، ومحفزات تطور الهيدروجين ، وأجهزة تحويل CO₂. والأهم من ذلك ، أن سقف السيارة المغطى بفيلم معدني ثنائي الأبعاد قد يحتمل أن يشغل السيارة مقابل ألف كيلومتر بعد ساعتين فقط من التعرض لأشعة الشمس.

4. جيش & الفضاء الفضائي: "ترقيات الخيال العلمي" لأدوات الجندي
   تخيل بطاريات الجنود تتقلص من حقيبة حقيبة إلى الحجم ، أو بدلات الهيكل الخارجي ، تصبح خفيفة مثل السترات لأسفل ، لكنها تمكن البشر من التغلب على الفهد ... قد لم تعد هذه السيناريوهات أحلامًا بعيدة.

المراجعون في المجلة  طبيعة  أشاد بهذا الإنجاز باعتباره "رائدًا في مجال المعادن ثنائية الأبعاد" و "تقدم معلم في علوم المواد". ما أذهله المجتمع العلمي الدولي هو أنه على الرغم من أن الاختراقات السابقة في المواد ثنائية الأبعاد (مثل اكتشاف الجرافين من قبل فريق المملكة المتحدة) كانت تقودها إلى حد كبير من قبل أوروبا والولايات المتحدة ، فإن الاختراق في المعادن ثنائية الأبعاد هو أول من يحمل علامة "المصنوعة في الصين" بوضوح.