نازک‌ترین سیم فلزی جهان ساخته شد

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از سای تک دیلی ، محققان مرکز «NCCR MARVEL» در موسسه پلی تکنیک فدرال لوزان (EPFL) توانسته اند با لایه برداری از کریستال‌های سه بعدی شناخته شده، مواد تک بعدی جدیدی از جمله نازک‌ترین نانوسیم فلزی پایدار در صفر مطلق را بسازند.

دانش پژوهان EPFL از ابزار‌های محاسباتی برای جستجوی مواد تک بعدی جدیدی استفاده کرده اند که می‌توانند از کریستال‌های سه بعدی شناخته شده جدا شوند.

آنها از بین فهرست اولیه بیش از ۷۸۰ هزار کریستال، به فهرستی از ۸۰۰ ماده یک بعدی دست یافتند که از بین آنها ۱۴ مورد بهترین گزینه‌ها بودند: ترکیباتی که هنوز به عنوان سیم واقعی سنتز نشده اند، اما شبیه سازی‌ها، ساخت آنها را امکان پذیر می‌داند. در میان آنها سیم فلزی «CuC ۲» یک زنجیره خط مستقیم که از دو اتم کربن و یک اتم مس، نازک‌ترین نانوسیم فلزی است که تا کنون در صفر مطلق پایدار بوده است.

محققان آزمایشگاه تئوری و شبیه سازی مواد در EPFL، از روش‌های محاسباتی برای شناسایی نازک‌ترین سیم فلزی ممکن و همچنین چندین ماده تک بعدی دیگر با خواصی استفاده کرده اند که می‌تواند برای بسیاری از کاربرد‌ها جالب باشد.

مواد تک بعدی یکی از جذاب‌ترین محصولات فناوری نانو هستند و از اتم‌هایی ساخته شده اند که به شکل سیم یا لوله در یک راستا قرار گرفته اند. خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری شان، آنها را به گزینه‌های عالی برای کاربرد‌های مختلف از میکروالکترونیک گرفته تا حسگر‌های زیستی و کاتالیزور تبدیل می‌کند. 

در حالی که نانولوله‌های کربنی موادی هستند که تاکنون بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند، اما تولید و کنترل آنها بسیار دشوار بوده است، بنابراین دانشمندان خواهان شناسایی ترکیبات دیگری هستند که بتوان از آنها برای ایجاد نانوسیم‌ها و نانولوله‌هایی با خواص به همان اندازه جالب، اما با کاربرد آسان‌تر استفاده کرد. 

شناسایی ساختار‌های تک بعدی

پژوهشگران سوئیسی با استفاده از شبیه سازی‌های رایانه‌ای برای تجزیه کریستال‌های سه بعدی شناخته شده استفاده کرده و به دنبال آنهایی گشتند که – بر اساس ویژگی‌های ساختاری و الکترونیکی شان – به نظر می‌رسد می‌توانند به راحتی «لایه برداری» شوند، و اساسا از آنها در قالب یک ساختار یک بعدی پایدار جدا شوند. در گذشته از همین روش برای مطالعه مواد دو بعدی با موفقیت استفاده شده، اما این نخستین کاربرد برای مواد تک بعدی است.

کشف نازک‌ترین سیم فلزی

مجریان این پژوهش می‌گویند: ما به طور خاص به دنبال سیم‌های فلزی بودیم، که گمان می‌رود یافتن آنها دشوار باشد، زیرا فلزات تک بعدی، در اصل، نباید به اندازه کافی پایدار باشند و امکان لایه برداری را فراهم کنند.

در پایان، آنها به فهرستی از ۸۰۰ ماده تک بعدی رسیده و از بین آنها ۱۴ گزینه برتر را انتخاب کردند - ترکیباتی که هنوز به عنوان سیم واقعی سنتز نشده اند، اما شبیه سازی ها، ساخت آنها را امکان پذیر نشان داده است. محققان سپس به محاسبه ویژگی‌های آنها با جزئیات بیشتری پرداختند تا میزان پایداری و رفتار الکترونیکی آنها را بسنجند.

یافته‌های پیشرفت در تحقیقات نانوسیم

مهندسان در این بین چهار ماده - دو فلز و دو نیمه فلز - را به عنوان جالب‌ترین موارد شناسایی کردند. در میان آنها سیم فلزی CuC ۲ قرار دارد که یک زنجیره خط مستقیم متشکل از دو اتم کربن و یک اتم مس و نازک‌ترین نانوسیم فلزی پایدار در صفر مطلق تا کنون است.

به گفته آنها این یافته واقعا جالبی است، زیرا انتظار ندارید یک سیم واقعی از اتم‌ها در امتداد یک خط واحد در فاز فلزی پایدار باشد. 

دانشمندان دریافتند می‌توان این سیم واقعی را از سه کریستال مادر مختلف که همگی از طریق آزمایش‌ها شناخته شده‌اند (NaCuC ۲، KCuC ۲ و RbCuC ۲) لایه برداری کرد. این روش برای استخراج به انرژی کمی نیاز دارد و امکان خمیدگی زنجیره با حفظ خواص فلزی اش، آن را برای کاربرد در الکترونیک انعطاف پذیر، جذاب می‌کند.

سایر مواد جالب یافت شده در این مطالعه، شامل ماده نیمه فلزی «Sb ۲ Te ۲» است که به دلیل خواصش ممکن است امکان مطالعه وضعیت عجیب و غریبی از ماده را که ۵۰ سال پیش پیش بینی شده، اما هرگز مشاهده نشده بود، به نام «عایق‌های برانگیزاننده» را فراهم کند که یکی از موارد نادری است که در آن پدیده‌های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی قابل مشاهده هستند.

همچنین نیمه فلز دیگر به نام «Ag ۲ Se ۲» و ترکیب شناخته شده «TaSe ۳» که تنها ترکیبی است که پیش از این در آزمایشات به عنوان یک نانوسیم لایه برداری شده و دانشمندان از آن به عنوان معیار استفاده کردند.

مفاهیم و رهنمود‌های تحقیقات آینده

این پژوهشگران قصد دارند در آینده با متخصصان دیگری همکاری کنند تا این مواد را به طور واقعی بسازند و همزمان مطالعات محاسباتی خود را به منظور مشاهده چگونگی انتقال بار‌های الکتریکی و رفتار در دما‌های مختلف ادامه دهند؛ دو ویژگی که برای درک نحوه عملکرد آنها در برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی اساسی است.

نتایج این تحقیقات در نشریه ACS Nano منتشر شده است.