Το μυστικό κρύβεται στις πτυχώσεις: Πώς το γραφένιο ανοίγει νέους δρόμους στη νανοηλεκτρονική

Η νανοτεχνολογία συνεχίζει να εκπλήσσει την επιστημονική κοινότητα, αποδεικνύοντας ότι ακόμη και οι πιο ανεπαίσθητες αλλαγές στη δομή ενός υλικού μπορούν να φέρουν επανάσταση στις ιδιότητές του.

Μια νέα έρευνα γύρω από το γραφένιο, το λεγόμενο «υλικό του μέλλοντος», αποκαλύπτει πώς οι μικροσκοπικές ατέλειες στην επιφάνειά του κρύβουν μια απρόσμενη δύναμη. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι απλές «ρυτίδες» σε ατομικό επίπεδο μπορούν να ξεκλειδώσουν νέες δυνατότητες για την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών.

Επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μικροσκοπικές, έντονα κυρτωμένες πτυχώσεις στο γραφένιο μπορούν να αλλάξουν δραματικά την ηλεκτρική του συμπεριφορά, δημιουργώντας έναν απρόσμενα ισχυρό διαχωρισμό φορτίου. Το εύρημα αυτό υποδηλώνει ότι τα ηλεκτρονικά του μέλλοντος θα μπορούσαν να ρυθμίζονται μέσω της αναδιαμόρφωσης των υλικών σε ατομική κλίμακα, αντί για την αλλαγή της σύστασής τους.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Ράις (Rice University) ανακάλυψαν ότι εξαιρετικά μικρές πτυχώσεις στο γραφένιο μπορούν να μεταβάλουν την ηλεκτρική συμπεριφορά του υλικού. Τα αποτελέσματα παρέχουν πειραματικές αποδείξεις για το φαινόμενο της φλεξοηλεκτρικότητας (flexoelectricity), μια ιδιότητα κατά την οποία η ανομοιόμορφη κάμψη αναγκάζει ένα υλικό να αναπτύξει ηλεκτρικό φορτίο.

Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Advanced Materials. Η εργασία αυτή υποδεικνύει έναν πιθανό νέο τρόπο ελέγχου του ηλεκτρισμού σε υλικά με πάχος μόλις λίγων ατόμων.

Αντί να τροποποιούν ένα υλικό προσθέτοντας χημικά ή συνδυάζοντάς το με κάτι άλλο, οι επιστήμονες ενδέχεται να μπορούν να ρυθμίζουν τις ηλεκτρικές του ιδιότητες αλλάζοντας απλώς το σχήμα του. Στο μέλλον, η στρατηγική αυτή θα μπορούσε να συμβάλει στη δημιουργία πιο ευαίσθητων αισθητήρων και εξαιρετικά λεπτών ηλεκτρονικών συσκευών.

«Η εργασία μας δείχνει ότι ακόμη και μια συνηθισμένη πτύχωση μπορεί να μετατραπεί σε ένα εξαιρετικό ηλεκτρονικό χαρακτηριστικό όταν την εξετάζουμε σε ατομική κλίμακα», δήλωσε ο Πουλίκελ Ατζαγιάν (Pulickel Ajayan), καθηγητής Μηχανικής στην έδρα Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson και συν-επιβλέπων συγγραφέας της μελέτης.

«Αποδεικνύοντας ότι η γεωμετρία από μόνη της μπορεί να αναδιαμορφώσει την ηλεκτρική συμπεριφορά στο γραφένιο, ανοίγουμε ένα νέο μονοπάτι για τον σχεδιασμό υλικών των οποίων οι ιδιότητες θα μπορούν να ελέγχονται μέσω της δομής και όχι μέσω της χημείας».

Κάτω από το μικροσκόπιο: Εξερευνώντας το γραφένιο σε ατομικό επίπεδο

Το γραφένιο αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα. Για τη συγκεκριμένη μελέτη, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε πτυχώσεις που σχηματίστηκαν φυσικά στο υλικό. Ορισμένες από τις καμπύλες συμπιέστηκαν σε περιοχές μικρότερες από ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Σε αυτή την κλίμακα, η έντονη κυρτότητα μπορεί να αναγκάσει τα ηλεκτρόνια να μετατοπιστούν ελαφρώς προς τη μία πλευρά του γραφενίου.

«Φανταστείτε να λυγίζετε έναν εύκαμπτο χάρακα, μόνο που η κάμψη συμπιέζεται σε έναν χώρο μικρότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου», δήλωσε ο Σάθβικ Ατζάι Ιγένγκαρ (Sathvik Ajay Iyengar), πρώην διδακτορικός φοιτητής στο Ράις και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

«Σε αυτή την κλίμακα, τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο μετατοπίζονται ελαφρώς προς τη μία πλευρά, δημιουργώντας δύο αντίθετες ηλεκτρικές πλευρές, όπως οι πόλοι μιας μικροσκοπικής μπαταρίας».

Για να διερευνήσει το φαινόμενο, η ομάδα χρησιμοποίησε εξειδικευμένους ανιχνευτές μικροσκοπίου ώστε να χαρτογραφήσει το σχήμα των πτυχώσεων και να μετρήσει την τοπική ηλεκτρική ενέργεια και το ρεύμα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης τη φασματοσκοπία Ράμαν (Raman spectroscopy), μια μέθοδο που βασίζεται σε λέιζερ και δείχνει πώς τεντώνονται ή συμπιέζονται τα άτομα.

Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές βοήθησαν στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο η κάμψη επηρεάζει την κίνηση των ηλεκτρονίων. Συγκρίνοντας τις έντονα κυρτωμένες πτυχώσεις με γειτονικές περιοχές επίπεδου γραφενίου, οι ερευνητές κατάφεραν να διαχωρίσουν τα ηλεκτρικά φαινόμενα που προκαλούνται από την κυρτότητα από άλλες πιθανές επιδράσεις.

«Προηγούμενες μελέτες εξέταζαν συχνά πιο ήπιες καμπύλες ή βασίζονταν σε εξωτερική πίεση, καθιστώντας αυτό το λεπτό φαινόμενο δύσκολο να απομονωθεί», δήλωσε ο Ιγένγκαρ (Iyengar). «Η σύγκριση των έντονα κυρτωμένων πτυχώσεων με το επίπεδο γραφένιο μας επέτρεψε να προσδιορίσουμε με σαφήνεια τον ρόλο της ακραίας κυρτότητας».

Ακραία κυρτότητα, μέγιστη ισχύς: Πώς οι έντονες «ρυτίδες» γεννούν ηλεκτρισμό

Η ομάδα διαπίστωσε ότι οι πτυχώσεις του γραφενίου συμπεριφέρονταν κάπως σαν σειρές από μικροσκοπικά ηλεκτρικά «σαμαράκια» επιβράδυνσης. Στις έντονα κυρτωμένες κορυφές τους, οι πτυχώσεις μετέβαλλαν την τοπική ηλεκτρική ενέργεια. Μόλις εφαρμόστηκε ηλεκτρική τάση περίπου ενός βολτ, οι ερευνητές ανίχνευαν σταθερά ηλεκτρικό ρεύμα.

Οι μετρήσεις ταυτίζονταν σε μεγάλο βαθμό με τις προβλέψεις των υπολογιστικών μοντέλων. Η ισχύς της απόκρισης συνδεόταν πιο στενά με το πόσο απότομη ήταν κάθε πτύχωση παρά με το ύψος της. Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η πόλωση που προκύπτει ήταν μεταξύ 100.000 και 10 εκατομμυρίων φορές ισχυρότερη από την πόλωση που παρατηρείται σε πολύ μεγαλύτερα φλεξοηλεκτρικά συστήματα.

Η πόλωση αναφέρεται στον διαχωρισμό των θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων στο εσωτερικό ενός υλικού. «Η οξύτητα της πτύχωσης αποδείχθηκε πολύ πιο σημαντική από το συνολικό της μέγεθος», δήλωσε ο Ιγένγκαρ (Iyengar). «Αυτό μας δείχνει ότι μπορούμε ενδεχομένως να ρυθμίσουμε την ηλεκτρική συμπεριφορά ελέγχοντας προσεκτικά την κυρτότητα στη νανοκλίμακα».

Δικαίωση μετά από 18 χρόνια: Η θεωρία του 2008 που επιβεβαιώθηκε στο εργαστήριο

Οι ρίζες της ανακάλυψης ανατρέχουν στο 2008. Εκείνη την εποχή, ο θεωρητικός φυσικός Βενσάν Μενιέ (Vincent Meunier) προέβλεψε ότι η έντονη κάμψη του γραφενίου θα μπορούσε να αναδιατάξει τα ηλεκτρόνιά του και να δημιουργήσει μια ηλεκτρική απόκριση.

Ο Μενιέ, σήμερα καθηγητής της έδρας P. B. Breneman και επικεφαλής του Τμήματος Μηχανικής Επιστήμης και Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια (Penn State), είναι συν-επιβλέπων συγγραφέας της νέας μελέτης. Όταν έγινε για πρώτη φορά η πρόβλεψη, ωστόσο, η μέτρηση ενός τέτοιου φαινομένου σε καμπύλες πλάτους μόλις λίγων ατόμων ήταν εξαιρετικά δύσκολη.

Χρόνια αργότερα, ο Ιγένγκαρ (Iyengar) εξέτασε ξανά τα δεδομένα που είχε συλλέξει μαζί με τον Μανόζ Τριπάθι (Manoj Tripathi), συν-επιβλέποντα συγγραφέα από το Πανεπιστήμιο του Σάσεξ (University of Sussex) και πλέον στο South Dakota Mines.

Παρατήρησε ασυνήθιστα ηλεκτρικά σήματα να εμφανίζονται στις πιο έντονες πτυχώσεις του γραφενίου και μοιράστηκε τα αποτελέσματα με τον Μενιέ (Meunier), ο οποίος επέβλεπε τη διδακτορική του διατριβή.

«Όταν ο Σάθβικ μού έδειξε τις μετρήσεις που είχαν συλλέξει εκείνος και ο Μανόζ, συνειδητοποιήσαμε ότι αυτά τα ασυνήθιστα σήματα θα μπορούσαν να προσφέρουν μια πειραματική σύνδεση με μια ιδέα που είχαμε προβλέψει πολλά χρόνια νωρίτερα», δήλωσε ο Μενιέ. «Η συνένωση των πειραμάτων και των υπολογισμών σε ατομική κλίμακα μας επέτρεψε να ελέγξουμε αυτή τη σύνδεση απευθείας».

Η επόμενη γενιά: Ο δρόμος για τα εξαιρετικά λεπτά ηλεκτρονικά του μέλλοντος

Τα ευρήματα προσφέρουν στους ερευνητές έναν τρόπο να διερευνήσουν εάν ο σκόπιμος έλεγχος της κυρτότητας των πτυχώσεων του γραφενίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του υλικού. Εάν αυτή η προσέγγιση αποδειχθεί πρακτική, θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν πιο ευαίσθητους αισθητήρες και εξαιρετικά λεπτές ηλεκτρονικές συσκευές.

«Αντί να αντιμετωπίζουν τις πτυχώσεις αποκλειστικά ως ατέλειες, οι ερευνητές ενδέχεται να μπορούν να τις χρησιμοποιήσουν ως λειτουργικά χαρακτηριστικά, των οποίων η γεωμετρία βοηθά στον καθορισμό της συμπεριφοράς του ηλεκτρισμού». «Η φύση δημιουργεί ήδη αυτές τις μικροσκοπικές πτυχώσεις για εμάς», δήλωσε ο Ιγένγκαρ (Iyengar).

«Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επηρεάζουν την ηλεκτρική συμπεριφορά προσφέρει στους επιστήμονες ένα ακόμη εργαλείο για τον σχεδιασμό των τεχνολογιών του μέλλοντος, χρησιμοποιώντας την ίδια τη δομή του υλικού».

Στους επιπλέον συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνονται οι Τζέιμς ΜακΧιού (James McHugh) από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, Τζόναθαν Σάλβατζ (Jonathan Salvage) από το Πανεπιστήμιο του Μπράιτον, Ρόμπερτ Βαϊτάι (Robert Vajtai) από το Πανεπιστήμιο Ράις, Βενκαταραμάνα Γκανταμσέτι (Venkataramana Gadhamshetty) από τη Σχολή Μεταλλείων και Τεχνολογίας της Νότιας Ντακότα, καθώς και ο συν-επιβλέπων συγγραφέας Άλαν Ντάλτον (Alan Dalton) από το Πανεπιστήμιο του Σάσεξ.

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από την υποτροφία Quad Fellowship, το Ταμείο Στρατηγικής Ανάπτυξης του Σάσεξ (Sussex Strategy Development Fund), την υποτροφία Dame Kathleen Ollerenshaw του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) των ΗΠΑ.

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ Επιστήμονες εντόπισαν το «μυστικό» για τον πιο δυνατό γάμο - Τι έδειξε μελέτη σε 1.700 ζευγάρια