محققان دانشگاه راتگرز در نیوبرانزویک کلاس جدیدی از مواد – به نام کریستال‌های بین‌بلور – با خواص الکترونیکی منحصربه‌فردی را کشف کرده‌اند که می‌توانند فناوری‌های آینده را تقویت کنند.
به گفته دانشمندان، کریستال‌های بین‌بلور اشکال جدیدی از ویژگی‌های الکترونیکی را نشان می‌دهند که می‌تواند راه را برای پیشرفت در قطعات الکترونیکی کارآمدتر، محاسبات کوانتومی و مواد سازگار با محیط زیست هموار کند.
همانطور که در یک گزارش مجله علمی توضیح داده شده است مواد طبیعیدانشمندان دو لایه بسیار نازک از گرافن را روی هم چیدند که هر یک ورقه ای به ضخامت یک اتم از اتم های کربن بود که در یک شبکه شش ضلعی چیده شده بودند. آنها آنها را به آرامی روی لایه ای از نیترید بور شش ضلعی، یک کریستال شش ضلعی ساخته شده از بور و نیتروژن، پیچاندند. آنها دریافتند، عدم تطابق ظریف بین لایه‌هایی که الگوهای موآری را تشکیل می‌دهند -الگوهایی شبیه به آنهایی که در هنگام قرار گرفتن دو صفحه توری ظریف روی هم قرار می‌گیرند- به طور قابل‌توجهی نحوه حرکت الکترون‌ها را در مواد تغییر می‌دهد.
اوا آندری، استاد هیئت مدیره در گروه فیزیک و نجوم در دانشکده هنر و علوم راتگرز و نویسنده اصلی این مطالعه گفت: «کشف ما مسیر جدیدی را برای طراحی مواد باز می‌کند. کریستال‌های بین‌بلور به ما یک دسته جدید برای کنترل رفتار الکترونیکی تنها با استفاده از هندسه، بدون نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی مواد می‌دهند.
به گفته محققان، با درک و کنترل خواص منحصر به فرد الکترون‌ها در بین بلورها، دانشمندان می‌توانند از آنها برای توسعه فناوری‌هایی مانند ترانزیستورها و حسگرهای کارآمدتر که قبلاً به ترکیب پیچیده‌تری از مواد و پردازش نیاز داشتند، استفاده کنند.
Jedediah Pixley، دانشیار فیزیک و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: “شما می توانید طراحی یک مدار الکترونیکی کامل را تصور کنید که در آن هر عملکرد – سوئیچینگ، حس کردن، انتشار سیگنال – با تنظیم هندسه در سطح اتمی کنترل می شود.” «بین کریستال‌ها می‌توانند بلوک‌های سازنده چنین فناوری‌های آینده باشند.
“این کشف به یک تکنیک رو به رشد در فیزیک مدرن به نام “twisttronics” بستگی دارد، که در آن لایه‌هایی از مواد در زوایای خاصی به هم می‌پیچند تا الگوهای موآری ایجاد کنند. این پیکربندی‌ها رفتار الکترون‌های موجود در ماده را به‌طور قابل توجهی تغییر می‌دهند و منجر به خواصی می‌شوند که در کریستال‌های معمولی یافت نمی‌شوند.
ایده اصلی اولین بار توسط آندری و تیمش در سال 2009 نشان داده شد، زمانی که آنها نشان دادند که الگوهای موآر در گرافن پیچ خورده به طور چشمگیری ساختار الکترونیکی آن را تغییر می دهد. این کشف به تولد رشته تویسترونیک کمک کرد.
الکترون ها ذرات ریزی هستند که در مواد حرکت می کنند و وظیفه رسانایی الکتریسیته را بر عهده دارند. در بلورهای معمولی، که دارای یک الگوی تکرار شونده از اتم‌ها هستند که یک شبکه کاملاً مرتب تشکیل می‌دهند، نحوه حرکت الکترون‌ها به خوبی درک و قابل پیش‌بینی است. اگر یک کریستال در زوایای یا فواصل خاصی بچرخد یا جابجا شود، به دلیل یک ویژگی ذاتی به نام تقارن به نظر می رسد.
محققان دریافتند که خواص الکترونیکی بین بلورها، با تغییرات کوچک در ساختار آنها، می تواند بسیار متفاوت باشد. این تغییرپذیری می‌تواند منجر به رفتارهای جدید و غیرعادی مانند ابررسانایی و مغناطیس شود که معمولاً در کریستال‌های معمولی یافت نمی‌شوند. مواد ابررسانا نوید یک جریان الکتریکی پیوسته را ارائه می دهند زیرا آنها الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت می کنند.
به گفته دانشمندان، کریستال‌های بین کریستال می‌توانند بخشی از مدار جدیدی برای حسگرهای اتمی و الکترونیکی کم‌تلفات باشند که می‌توانند در ایجاد رایانه‌های کوانتومی و تامین انرژی اشکال جدید فناوری مصرف‌کننده نقش داشته باشند.
این مواد همچنین چشم انداز عملکرد را به عنوان پایه ای برای فناوری های الکترونیکی سازگار با محیط زیست ارائه می دهند.
آندری گفت: «از آنجایی که این سازه‌ها می‌توانند از عناصر غیرسمی فراوانی مانند کربن، بور و نیتروژن به جای عناصر خاکی کمیاب ساخته شوند، همچنین مسیر پایدارتر و مقیاس‌پذیرتری را برای فناوری‌های آینده ارائه می‌کنند.»
بین کریستال ها فقط با کریستال های معمولی متفاوت نیستند. آنها همچنین با شبه بلورها، نوع خاصی از کریستال که در سال 1982 کشف شد، با ساختاری منظم اما بدون الگوی تکراری موجود در بلورهای معمولی، متفاوت هستند.
اعضای تیم تحقیقاتی کشف خود را “بین بلور” نامیدند، زیرا آنها تلاقی بین بلورها و شبه بلورها هستند: آنها دارای الگوهای تکرار نشدنی مانند شبه بلورها هستند، اما تقارن های مشترکی با کریستال های معمولی دارند.
آندری گفت: “کشف شبه بلورها در دهه 1980 قوانین قدیمی نظم اتمی را زیر سوال برد.” با استفاده از کریستال‌های بین بلور، ما یک گام فراتر می‌رویم و نشان می‌دهیم که می‌توان مواد را برای دسترسی به فازهای جدید ماده با بهره‌برداری از ناامیدی هندسی در کوچک‌ترین مقیاس مهندسی کرد.
محققان Rutgers نسبت به کاربردهای آتی بین بلورها خوش بین هستند و فرصت های جدیدی را برای مطالعه و دستکاری خواص مواد در سطح اتمی باز می کنند.
پیکسلی گفت: «این تازه شروع کار است. ما هیجان‌زده هستیم که ببینیم این کشف ما را به کجا میبرد و در سال‌های آینده چه تأثیری بر فناوری و علم خواهد داشت.»
سایر محققان راتگرز که در این مطالعه مشارکت داشتند شامل همکاران پژوهشی Xinyuan Lai، Guohong Li و Angela Coe از دپارتمان فیزیک و ستاره شناسی هستند.
دانشمندان مؤسسه ملی علوم مواد در ژاپن نیز به این تحقیق کمک کردند.
