Onderzoeks team met Prof. Moshe Ben Shalom, derde van rechts op de achterste rij. Foto Universiteit van Tel Aviv
Eeuwenlang hebben alchemisten de droom nagestreefd om koper in diamanten te veranderen, zonder zich ervan bewust te zijn dat zo'n transformatie een kernreactie vereist. Maar zou het niet mooi zijn als de grafietpunt van een potlood in diamant kon worden veranderd? Ze bestaan immers allebei volledig uit koolstofatomen.
Het belangrijkste verschil tussen potloodstift en fonkelende edelstenen, die beide allotypen (verschillende vormen) van koolstofatomen zijn, ligt in de manier waarop deze atomen zijn gerangschikt.
Om grafiet om te zetten in diamanten zijn extreme temperaturen en druk nodig om chemische bindingen te verbreken en te hervormen, waardoor het proces onpraktisch is. Een meer haalbare transformatie, volgens Prof. Moshe Ben Shalom, hoofd van de Quantum Layered Matter Group aan de Universiteit van Tel Aviv (TAU), omvat het herconfigureren van de atomaire lagen van grafiet door ze te verschuiven tegen relatief zwakke van der Waals-krachten.
Een studie die dit beschrijft is zojuist gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Review Physics onder de titel "Sliding van der Waals polytypes." Onder leiding van Ben Shalom en doctoraalstudenten Maayan Vizner Stern en Simon Salleh Atri van de Sackler School of Physics and Astronomy van de universiteit, bestond het team uit postdoctoraalstudenten uit India en Zuid-Korea die zich niet lieten afschrikken door de oorlog tussen Israël en Hamas .
In de moleculaire fysica en scheikunde omvatten deze krachten een afstandsafhankelijke interactie tussen atomen of moleculen, in tegenstelling tot ionische of covalente bindingen. Dit zijn zwakke elektrostatische krachten die neutrale moleculen naar elkaar toe trekken.
Deeltjes in vloeistof of lucht trillen en bewegen constant. Zo botsen ze met andere deeltjes, waaronder de deeltjes van het medium, zoals watermoleculen. De bindingen tussen hen verwijzen naar het zwakste type bindingen tussen covalente moleculen, zoals in gassen, vloeistoffen en polymeren, houden moleculen losjes bij elkaar en bepalen de stijfheid en sterkte van materialen.
Nieuwe methoden om de lagen in verschillende rangschikkingen te schuiven en de resulterende materialen te bestuderen. Foto Universiteit van Tel Aviv
Ben Shalom zei dat deze techniek niet echt diamanten oplevert. Diamanten worden namelijk ook gebruikt voor industriële doeleinden en hebben veel toepassingen in productieprocessen.
Als het schakelproces snel en efficiënt genoeg is, kan de conversie van grafiet en vergelijkbare “van der Waals”-materialen dienen als kleine elektronische geheugeneenheden (geheugenchips) die wereldwijd enorm gewild zijn en voornamelijk in China en Taiwan worden geproduceerd. De waarde van deze nieuw ontworpen “polytype”-materialen zou dan die van zowel diamanten als goud kunnen overtreffen.
De professor en zijn collega's van de universieteit hebben een bedrijf op de campus opgericht met als doel om uiteindelijk het hart van geheugenchips veel gemakkelijker te produceren dan nu het geval is. "We hopen over ongeveer vier jaar klaar te zijn. Het zal een revolutie zijn", zei hij enthousiast. "Lagen zijn het belangrijkste voor het glijden. We hebben een piepkleine kubus van twee centimeter grafiet geïmporteerd uit een mijn in Noord-Engeland, vlak bij Manchester. Het heeft veel lagen en we kunnen een heel decennium aan de kubus werken!"
Door de reactie met het externe elektrische veld kunnen grensstroken tussen verschillende structurele domeinen met supersmering gaan glijden, waardoor het oppervlak van het stabielere polytype wordt vergroot.
"Net als grafiet produceert de natuur veel andere materialen met zwak gebonden lagen," legt doctoraatsstudent Stern uit. "Elke laag gedraagt zich als een Lego-blokje. Het breken van een enkel blokje is moeilijk, maar het scheiden en opnieuw verbinden van twee blokje is vrij eenvoudig. Op dezelfde manier geven de lagen in gelaagde materialen de voorkeur aan specifieke stapelposities waarbij atomen perfect uitgelijnd zijn met die in de laag ernaast. Het schuiven tussen deze posities gebeurt in kleine, discrete sprongen - telkens slechts een atomaire afstand."
Vergeleken met elektronische faseovergangen zijn structurele faseovergangen van kristallen lastig te beheersen vanwege de energiekosten die gepaard gaan met het verbreken van dichte vaste bindingen.
"We ontwikkelen nieuwe methoden om de lagen in verschillende opstellingen te schuiven en de resulterende materialen te bestuderen. Door een elektrisch veld of mechanische druk toe te passen, kunnen we de lagen in verschillende stabiele configuraties verschuiven", aldus Atri. "Aangezien deze lagen in hun uiteindelijke positie blijven, zelfs nadat de externe kracht is verwijderd, kunnen ze informatie opslaan - en functioneren als een kleine geheugeneenheid."
Het team heeft ook onderzocht hoe verschillende aantallen lagen de eigenschappen van materialen beïnvloeden. Drie lagen van een materiaal met twee soorten atomen kunnen bijvoorbeeld zes verschillende stabiele materialen creëren, elk met unieke interne polarisaties. Met vijf lagen neemt dit aantal toe tot 45 verschillende mogelijke structuren.
Door te schakelen tussen deze configuraties kunnen onderzoekers optische, elektrische en magnetische parameters regelen en ze herschikken in zes verschillende kristalvormen, elk met verschillende elektrische geleidbaarheden, infraroodreacties, magnetisaties en supergeleidende eigenschappen.
De grootste uitdaging is om de stabiliteit van het materiaal te behouden met structurele overgangen die gecontroleerd kunnen worden. Hun nieuwe studie vat lopende studies samen en stelt nieuwe methoden voor om dit "slidetronics"-schakelmechanisme te verfijnen, wat de weg vrijmaakt voor innovatieve toepassingen in elektronica, computing en meer.
Met voortgezet onderzoek zouden deze glijdende materialen de technologie kunnen revolutioneren, door snellere, efficiëntere geheugenopslag en ongekende controle over materiaaleigenschappen te bieden. Het vermogen om atomaire lagen met precisie te manipuleren opent deuren naar een nieuw tijdperk in de materiaalkunde – een tijdperk waarin de meest waardevolle ontdekkingen misschien niet voortkomen uit het creëren van goud, maar uit het ontsluiten van het verborgen potentieel van alledaagse elementen.
댓글