I materiali bidimensionali sono un po' un concetto sconcertante. Gli umani vivono in un mondo tridimensionale, Dopotutto, dove tutto ciò che si osserva nel nostro mondo naturale ha altezza, larghezza, e profondità. Eppure, quando il grafene, un materiale in carbonio unico nel suo aspetto veramente piatto, dimensione profonda un atomo:è stato prodotto per la prima volta nel 2004, il concetto strabiliante divenne realtà e una frontiera inesplorata nella scienza dei materiali.

Gli scienziati dell'Ames Laboratory Pat Thiel e Michael Tringides sono esploratori di quella frontiera, scoprire le proprietà uniche di materiali e metalli bidimensionali (2-D) coltivati ​​su grafene, grafite, e altre superfici rivestite di carbonio.

"Il nostro lavoro è un po' un miracolo, se gli scienziati possono parlare di miracoli, " disse Tringide, che è anche professore di fisica alla Iowa State University. "Solo pochi decenni fa, nessuno avrebbe creduto che potessimo vedere singoli atomi, ma le nostre capacità ora non solo ci permettono di vederli, ma manipolarli, come un bambino che costruisce con i mattoncini Lego. Siamo in grado di creare questi materiali dal basso verso l'alto, quelli che non potrebbero mai accadere in natura."

Sono creati in un ambiente di laboratorio controllato, in un ambiente ad altissimo vuoto, e indagato con l'ausilio della microscopia a effetto tunnel. Dopo aver riscaldato il substrato ad alta temperatura, tutte le impurità e i difetti vengono rimossi. Il substrato viene raffreddato e gli atomi di interesse vengono depositati uno ad uno da sorgenti appositamente progettate. Regolando la temperatura e la velocità di deposizione, i ricercatori cercano la condizione simile a Goldilocks:gli atomi non si muovono né troppo velocemente né troppo lentamente, così si forma un materiale veramente 2-D.

Mentre i loro gruppi di ricerca creano una varietà di materiali di superficie nel loro lavoro, i metodi di fabbricazione hanno tutti una cosa in comune:tentare di confinare l'assemblaggio degli atomi al piano 2-D. è difficile, perché è contrario a ciò che gli atomi vogliono naturalmente fare nella maggior parte delle condizioni, da assemblare in tre dimensioni.

"Gli atomi sono caotici per natura; stiamo combattendo questa casualità in tutto ciò che facciamo, " disse Tringide. "Nel nostro lavoro, gli atomi sono disposti con precisione su una superficie altamente reattiva nel vuoto. Ogni aspetto dell'ambiente è controllato. Il nostro lavoro è fabbricare piccolissimi, molto pulito, e molto perfetto. Lavorare su materiali su scala nanometrica lo richiede".

Imparare come si comportano questi materiali è fondamentale. Poiché i materiali 2D sono tutti di superficie senza ingombro, una serie di proprietà uniche su nanoscala:chimiche, magnetico, elettronico, ottico, e termico, possono essere attribuiti a loro.

"C'è un regolamento per le proprietà del bulk, o materiali tridimensionali, e contiene grandi pezzi che sono universalmente compresi e accettati, "disse Thiel, un chimico fisico, scienziato dei materiali, e Distinguished Professor alla Iowa State University. "Ma il regolamento per i materiali 2-D è in gran parte non scritto. Ci sono molte cose che non sappiamo. Riceviamo molte sorprese, e poi dobbiamo spiegarli."

Scrivere il libro delle regole sul comportamento di questi materiali è solo il primo passo verso un obiettivo più ampio; creare materiali sintonizzabili che potrebbero essere potenzialmente utili in una serie di applicazioni tecnologiche, compresa la microelettronica ultraveloce, catalisi, e spintronica.

È il motivo per cui la ricerca di Thiel e Tringides si è concentrata sulla coltivazione di metalli su substrati 2-D negli ultimi quattro anni, trasformandolo in un importante punto di forza della ricerca sui materiali del Laboratorio Ames.

Il grafene ha guadagnato un'attenzione molto entusiasta sia nella ricerca scientifica che nell'industria tecnologica perché gli elettroni viaggiano molto velocemente lungo la sua superficie, spiegò Tringide. Ma per creare dispositivi funzionali, richiede modelli di contatti metallici di dimensioni nanometriche sulla sua superficie, progettato specificamente per una funzione desiderata.

"Qualunque materiale stiamo cercando di creare, l'uniformità della superficie è la chiave per un dispositivo funzionale, ed è qui che entra in gioco la nostra ricerca 'perfetta'. Quella perfezione ci rende lenti, ma è uno scambio, " ha detto Tringides. "Se possiamo ottenere una comprensione approfondita di come questi contatti possono essere prodotti in condizioni ideali in un ambiente controllato, quindi questi metodi possono essere eventualmente ottimizzati per la produzione e l'uso commerciale."

Il successo più recente di Thiel e Tringides è l'intercalazione del disprosio sugli strati di grafite. L'intercalazione è l'introduzione di un materiale in composti con strutture a strati. Questa è una vera sfida con la grafite, poiché la sua superficie puramente 2-D si traduce in strati "slick" senza un buon modo per formare legami tra di loro.

"È come una pila di coperte su un letto, " ha detto Thiel. "Le coperte stesse sono strutturalmente solide, ma due coperte accatastate una sopra l'altra scivolano, scivolare giù dal letto, e si staccano facilmente a strati." Ma il team ha recentemente scoperto le condizioni in cui possono creare diversi tipi di sistemi intercalati di metallo e grafite, legando insieme in modo bidimensionale quelle coperte scorrevoli di materiale. È un nuovo modo promettente per formare un sottile rivestimento di un metallo protetto da una pelle di carbonio, e potrebbe aprire la strada a materiali con proprietà magnetiche o catalitiche uniche.

Con un focus sperimentale così strettamente focalizzato e altamente controllato nella scienza di base, potrebbe essere allettante supporre che la loro ricerca, come i loro esperimenti, avviene nel vuoto. Ma Thiel attribuisce il successo della scienza delle superfici all'Ames Laboratory alla stretta collaborazione di vari gruppi di ricerca. "Ames Laboratory is a fertile environment for surface science experiments because we have the opportunity to collaborate directly with many scientists in diverse areas of expertise addressing the same problem from a different viewpoint, " said Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, teoria, and materials fabrication. "While that collaboration model has been adopted by other institutions and is the norm now, Ames Lab's intimate size and community culture really started it all, and our achievements in surface science have benefited greatly from it."