У галузі матеріалознавства 2-D - це новий 3-D.
Вакуумна камера для використання рентгенівської спектроскопії для вимірювання матеріалів. (Анастасія Сапон/The New York Times)
Автор: Амос Зеберг
За останні роки пристрої, підключені до Інтернету, перетнули ряд нових меж: ляльки, холодильники, дзвінки, автомобілі. Однак, на думку деяких дослідників, поширення “Інтернету речей” не зайшло так далеко, як слід.
"Що, якби ми могли інтегрувати електронні пристрої в абсолютно все?", нещодавно сказав Томас Паласіос, інженер-електрик Массачусетський технологічний інститут. «Що, якби ми збирали енергію з сонячних батарей на автомагістралях, а у нас були вбудовані датчики ваги в тунелі та мости для контролю бетону? Що, якби ми могли поглянути у вікно і побачити крізь нього прогноз погоди? Або покласти електронні пристрої до мого пальто, щоб стежити за своїм здоров’ям? ".
У січні 2019 року Паласіос та його колеги опублікували статтю в журналі Природа в якому вони описали винахід, який наблизить нас трохи до цього майбутнього: антена, яка може поглинати все більш щільну мережу, створену сигналами стільникового телефону, Wi-Fi та Bluetooth, щоб перетворити її в корисну електричну енергію.
Ключем до цієї технології є перспективний новий матеріал, який називається дисульфід молібдену, або MoS2, який можна наносити шаром товщиною всього 3 атоми. В інженерному світі немає нічого тоншого за це.
Інженери MIT створили крихітні електронні схеми з графену, двовимірної форми вуглецю. (Тоні Луонг для The New York Times)
А тонкий - корисний. Наприклад, шар MoS2, наприклад, можна обернути навколо столу і перетворити на зарядний пристрій для ноутбуків, не потрібно використовувати кабелі.
З точки зору таких дослідників, як Палацій, двовимірні матеріали будуть опорою Інтернету всього. Мости будуть «фарбовані», а датчики сформовані для спостереження за напругою та тріщинами. Вони покриють вікна прозорими шарами, які стануть видимими лише при відображенні інформації. Крім того, якщо антена, що поглинає радіохвилі вашого обладнання, є успішною, вона буде використана в електронних пристроях, які завжди є. Все більше і більше, здається, майбутнє є плоским.
"Існує вибуховий інтерес", - сказав Джефф Урбан, дослідник 2D матеріалів у Лоуренс Берклі Національна лабораторія молекулярного ливарного виробництва в Каліфорнії. "Немає іншого способу його охарактеризувати".
Квартира приведе вас скрізь. 2D захоплення хімією розпочалось у 2004 році, коли двоє дослідників з Ліверпульського університету за допомогою целофанової стрічки очищали шари вуглецю товщиною в один атом від шматочків графіту, утворюючи графен. За своїм складом графен ідентичний графіту та алмазу, але його тонкість надає йому дуже різних властивостей: він гнучкий, прозорий і дуже міцний, а також є винятковим тепловим та електричним провідником.
Дослідники швидко взялися за створення всіх видів нових та вдосконалених пристроїв з цього матеріалу. Нещодавно кілька компаній випустили слухові апарати з діафрагмами - мембранами, які вібрують і видають звук в аудіоприладах - з графену. Деякі виробники фарб додають графен у свої формули, щоб зробити більш міцні покриття. У жовтні минулого року Huawei представила Mate 20 X, великий і потужний стільниковий телефон, який використовує переваги графена для охолодження процесора. Samsung використовував графен для розробки акумулятора, що швидше заряджається, який найближчим часом може бути інтегрований у стільникові телефони.
Urban працює з двовимірними матеріалами для поліпшення паливних елементів, що привернуло увагу як чистий силовий агрегат для екологічних автомобілів. Більшість паливних елементів виробляють електроенергію з водню, але навіть під високим тиском газоподібний водень займає набагато більше місця, ніж аналогічна кількість бензину, що робить його недоцільним для використання в автомобілях.
Розширене джерело світла в Берклі, штат Каліфорнія, виробляє рентгенівські промені для зондування атомної структури матеріалів у двовимірному вимірі. (Анастасія Сапон для The New York Times)
Натомість Урбан інтегрує атоми водню в тверді матеріали, які набагато щільніші за гази. У березні він та його колеги оголосили про нове середовище зберігання: крихітні кристали магнію, загорнуті у вузькі смуги, що називаються нанолістонами графена. Згідно з їх висновками, водень зберігається таким чином може забезпечити майже стільки ж енергії, скільки той же об’єм нафти, але з набагато меншою вагою.
Урбан порівняв процес із випіканням шоколадного печива: магній був би шоколадною стружкою - ключовим елементом - оскільки він містить водень. "Ми хочемо шоколадне печиво, в якому якомога більше чіпсів", - сказав він, а з графенових нанолістонів виходить чудове тісто для печива. Нанолістони також допомагають водню швидко входити і виходити з кристалів магнію, одночасно виділяючи кисень, який конкурує з воднем за простір у кристалах.
На інших фронтах дослідники беруть надтонкі шари матеріалів і складають їх у тривимірні блоки, що мають властивості, що відрізняються від звичайних 2D та 3D матеріалів.
Квабена Бедіако, хімік Каліфорнійського університету, містечко Берклі, минулого року опублікувала дослідження в журналі Nature, в якому описала, як він та його колеги інтегрували іони літію між багато шарів двовимірних матеріалів, в тому числі графен.
"Ми почали з шматочка хліба, поклали трохи майонезу, скибочку сиру і трохи шинки", - сказав він. "Ви можете робити це скільки завгодно разів і створювати сендвіч".
Змінюючи різні шари тривимірної комірки, дослідники змогли тонко налаштувати спосіб зберігання літію, що може призвести до розробки нових акумуляторів великої ємності для електронних пристроїв.
Становлення тонше Одне з місць, де процвітають двовимірні матеріали Сінгапур, в лабораторії Лю Чжен у Технологічному університеті Наньян. Сінгапур відомий як Садове місто, і маленька країна гаряче заповнила свою місцевість зеленими насадженнями, включаючи університет, де сади розміщені у вільних куточках навколо його сучасних будівель.
Чжен вважає свої дослідження іншим видом вирощування. "Я садівник", Він сказав. “Є 2D-сад із усіма видами квітів. Вони красиві".
Минулого року Чжен і його колеги різко розширили цей сад, створивши десятки нових двовимірних матеріалів із класу сполук, що називаються халькогенідами перехідних металів або TMC. Ключовим відкриттям стало використання звичайної кухонної солі для зниження температури, при якій метали загалом плавляться; що дозволило металам випаровуватися і осідати в тонкі плівки.
Технологічний університет Наньян, Сінгапур. "Я садівник", - сказав доктор Чжен. "Є двовимірний сад з усіма видами квітів. Всі вони прекрасні". (Амос Зеберг)
"Одного разу студент сказав мені:" Я можу зробити всі TMC з сіллю ", - сказав Чжен. "Я був дуже здивований. Це була моя мрія протягом багатьох років ".
Багато TMC, включаючи MoS2, який Palacios використовує для поглинання радіохвиль, мають потенціал для різного промислового використання. Селенід платини, виготовлений в лабораторії Сінгапуру, може бути використаний для створення дешевих паливних елементів, в яких зазвичай використовується платина, дорогоцінний метал, для відокремлення протона атома водню від його електрона. Вибравши двовимірний селенід платини, кількість використаної платини може бути зменшена на 99 відсотків, пояснив Чжен. Технологічний університет Наньян веде переговори з виробниками щодо комерціалізації цієї технології. Майбутнє ще не двовимірне, але воно стає все ближчим і ближчим.
«Я бачу величезний комерційний потенціал для цього матеріалу- сказав Чжен. "Ми можемо мати великий вплив на ринок".
c.2020 The New York Times Company