Что такое двухмерные материалы и почему они могут изменить электронику будущего

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.

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.

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.

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.

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