Что такое двухмерные материалы и почему они могут изменить электронику будущего

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В течение долгого времени ученые считали, что по-настоящему стабильные материалы не могут существовать в виде слоя толщиной всего в один атом. Согласно классическим представлениям физики, такие структуры должны быть слишком нестабильными и разрушаться. Однако в начале XXI века ситуация изменилась: учёные смогли получить материалы, которые практически не имеют толщины. Их назвали двухмерными.

Оказалось, что в таком состоянии вещества начинают проявлять совершенно необычные свойства. Электроны движутся иначе, механическая прочность резко возрастает, а электрические характеристики становятся уникальными. Именно поэтому двухмерные материалы сегодня считаются одним из самых перспективных направлений современной физики и материаловедения. Многим, возможно, будет интересно узнать, настолько инновационное открытие было сделано учёные, родом из СССР.

Автор: OpenAi

Что такое двухмерные материалы

Двухмерные материалы — это вещества, состоящие из ровного слоя толщиной всего в один атом. Они имеют длину и ширину, но их толщина настолько мала, что в физическом смысле их можно считать почти идеально плоскими структурами.

Обычный α-графит
Обычный α-графит
Автор: CC BY-SA 3.0: dilidar Источник: ru.wikipedia.org

В обычных материалах атомы образуют объёмную решетку, распространяющуюся во всех трех измерениях. В двухмерных структурах атомы расположены в одной плоскости. Это радикально меняет поведение частиц внутри материала.

Двухмерный графен
Двухмерный графен
Автор: CC BY-SA 3.0: AlexanderAlUS Источник: commons.wikimedia.org

Электроны в таких структурах могут двигаться только вдоль поверхности. Из-за этого начинают проявляться квантовые эффекты, которые в обычных трехмерных материалах почти не заметны. Например, проводимость может увеличиваться, а взаимодействие между электронами становится значительно сильнее.

Как обнаружили двухмерные материалы

Настоящий прорыв произошел в 2004 году, когда физики Андрей Гейм и Константин Новоселов смогли получить первый устойчивый двухмерный материал — Графен. Оба учёных выходцы из СССР, но в своё время мигрировали и начали работать в Манчестерском университете в Великобритании. Именно там и был совершен прорыв, за который учёные в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Удивительно, но сам метод получения графена оказался действительно простым. Ученые использовали обычную клейкую ленту, чтобы постепенно отслаивать все более тонкие слои графита. В итоге им удалось выделить слой углерода толщиной всего в один атом. Мне даже кажется, что они сделали это на спор или ради развлечения. Насколько я знаю, сами исследователи так и рассказывали. Но, скорее всего, за этим стояла научная работа, а юмористическая история появилась как байка.

Открытие стало сенсацией в научном мире, а исследования двухмерных материалов начали активно развиваться по всему миру. Но открыть материал не значит, что уже существует устойчивая технология его получения или создания в промышленных объёмах.

Где уже используются двухмерные материалы и их перспективы

Сегодня двухмерные материалы рассматриваются как основа для технологий будущего. Одним из самых перспективных направлений является электроника. Благодаря высокой проводимости и минимальной толщине такие материалы могут использоваться для создания сверхтонких и гибких электронных устройств. Также они могут применяться в производстве высокочувствительных сенсоров. Даже небольшие изменения окружающей среды способны менять электрические свойства атомарного слоя, что позволяет создавать датчики нового поколения.

Еще одним перспективным направлением является энергетика. Двухмерные материалы могут использоваться в аккумуляторах и суперконденсаторах, повышая их ёмкость и скорость зарядки. Кроме того, исследуются возможности их применения в фильтрации воды и создании новых типов солнечных батарей.

Самые яркие примеры двухмерных материалов

Самым известным представителем таких веществ является уже упомянутый графен, но он далеко не единственный. Помимо графена существуют и другие двухмерные материалы. Например, дисульфид молибдена способен работать как полупроводник, что делает его интересным для микроэлектроники.

Также активно изучается материал под названием гексагональный нитрид бора, который обладает высокой химической устойчивостью и хорошими изоляционными свойствами. Предположительно, комбинируя различные двухмерные материалы между собой, ученые могут создавать новые структуры с заранее заданными характеристиками.

Гексагональный нитрид бора редактировать. Получается при высоком давлении и температуре 800 - 1900 градусов по Цельсию
Гексагональный нитрид бора редактировать. Получается при высоком давлении и температуре 800 — 1900 градусов по Цельсию
Автор: CC BY-SA 4.0: SJ879 C Источник: commons.wikimedia.org

Заключение

Двухмерные материалы открыли совершенно новое направление в физике и материаловедении. Они позволяют исследовать поведение вещества в условиях, где квантовые эффекты проявляются особенно ярко.

Хотя такие материалы не нарушают законы физики, они заставляют их работать в непривычных режимах. Именно поэтому исследование двумерных структур может привести к появлению принципиально новых технологий. Но, как я говорил выше, сейчас нет устойчивых технологий масштабирования производства подобных материалов, все они изготавливаются практически в ручном режиме. Хотя разработки уверенно продвигаются и уже есть способы получения графена в виде пластин с размером 1х1 метр. А на этом у меня всё, благодарю всех за внимание.

Источник: wikipedia

Изображение в превью:
Автор: OpenAI
Источник: openai.com

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему формат DAT не стал массовым, хотя звучал идеально

В 1987 году Sony представила компактный цифровой формат записи звука на магнитную ленту Digital Audio Tape. Кассета размером примерно вдвое меньше обычной компакт-кассеты (около 73 x 54 x 10,5 мм)...

Мультиметр для автодиагностики FNIRSI TMP-610S: обзор осциллографа, цифрового генератора и тестера сигналов в одном корпусе

В одном корпусе осциллограф, цифровой генератор и тестер сигналов — такое устройство позволяет не только видеть статические значения амплитуды, но и анализировать форму сигналов,...

Обзор и тест мини-ПК Ninkear L20: Core Ultra 5 226V, Intel Arc 130V и локальный ИИ

Когда-то компактный компьютер приходилось выбирать по принципу «лишь бы хватило мощности для браузера и документов». Сейчас ситуация изменилась. В корпусе объёмом меньше литра уже можно...

Эта птица глотает кости целиком: как бородач умудряется их переваривать

Когда от погибшего животного остаются почти одни кости, для большинства падальщиков еда уже закончилась. Но бородач всё ещё может здесь пообедать. Эта крупная горная птица подбирает кости и глотает...

Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого...

Зачем крекеру дырки: история и немного морской романтики

Крекеры — это лаконичный, но невероятно практичный продукт, который давно занял своё место в рационе многих людей. Их ценят за нейтральный вкус и приятную текстуру: они отлично оттеняют...