Ingeniører forestiller sig en elektronisk afbryder kun tre atomer tyk

Fold ikke, spindel eller lemlæstelse. Disse instruktioner blev engang trykt på hulkort, der førte data til mainframe-computere. Dagens smarttelefoner behandler flere data, men de var stadig ikke bygget til at blive skubbet i baglommer.

I jagten på at bygge gadgets, der kan overleve sådant misbrug, ingeniører har testet elektroniske systemer baseret på nye materialer, der både er fleksible og omskiftelige – dvs. i stand til at skifte mellem to elektriske tilstande, tænd sluk, et nul, de binære kommandoer, der kan programmere alt digitalt.

Nu mener tre Stanford-forskere, at de har opdaget netop en så fleksibel, omskifteligt materiale. Det er en krystal, der kan danne et papirlignende ark med kun tre atomer tykke. Computersimuleringer viser, at dette krystallinske gitter har den bemærkelsesværdige evne til at opføre sig som en kontakt:det kan trækkes og skubbes mekanisk, frem og tilbage, mellem to forskellige atomstrukturer - en der leder elektricitet godt, den anden, der ikke gør.

"Tænk på det som at slå en lyskontakt til og fra, "siger Karel-Alexander Duerloo, en Stanford Engineering kandidatstuderende og første forfatter til en artikel i Naturkommunikation .

Indtil videre eksisterer denne opdagelse kun som en simulering. Men medforfatter og teamleder Evan Reed, adjunkt i materialevidenskab og teknik, håber, at dette arbejde vil inspirere eksperimentelle forskere til at fremstille denne supertynde krystal og bruge den til at skabe elektroniske og andre enheder, der ville være lige så lette og fleksible som fibre.

Teoretisk set, sådanne elektroniske materialer har potentiale til at reducere batteridrænende strømforbrug i eksisterende enheder såsom smartphones. Denne nye, energieffektivt materiale kunne også gøre det muligt at skabe 'smart' tøj – forestil dig en ultralet mobiltelefon eller et GPS-system integreret i din skjorte.

Duerloo sagde, at dette omskiftelige materiale dannes, når et atomlag af molybdænatomer bliver klemt mellem to atomlag af telluratomer.

Molybdæn og tellur er grundstoffer, der i øjeblikket bruges som tilsætningsstoffer til fremstilling af legeringer, såsom stål. Tellurium er også en vigtig komponent i mange moderne solceller.

I sin simulering, Duerloo stolede på, at molybdæn og tellur danner et arklignende krystalgitter, der kun er tre atomer tykt. Især denne atomare sandwich kan danne forskellige krystallinske strukturer, der har nyttige egenskaber:i en struktur leder dette gitter let elektricitet; i den anden konfiguration gør den det ikke.

Duerloos simuleringer viser, at det kun kræver en lille indsats at skifte atomstrukturen af ​​dette trelags amalgam fra en ikke-ledende tilstand til en ledende tilstand. Et blidt tryk skifter materialet tilbage til slukket tilstand.

Disse simuleringer, endnu ikke understøttet af eksperimentel bekræftelse, er på forkant med en ny gren af ​​materialevidenskab, der dykker ned i enkeltlagsstoffers adfærd.

Det første og mest berømte monolag er grafen, som første gang blev observeret i 2004. Grafen er et lag af kulstofatomer, der danner et gitter, der ligner hønsenet. Selvom det kun er et atom tykt, grafen er utrolig stærk. Et ark grafen kunne bære vægten af ​​en kat uden at bryde dette atomtynde gitter.

Grafen er også elektrisk ledende. Det gør den potentielt nyttig som et lys, lav effekt elektronisk komponent.

Opdagerne af grafen delte en Nobelpris i 2010, men allerede før dette var deres arbejde så beæret, at andre videnskabsmænd var begyndt at lede efter andre enkeltlagsmaterialer med denne interessante sammenløb af egenskaber:stærke, stabil, krystallinske strukturer, der kunne lede elektricitet.

For at hjælpe med at finde de mest lovende materialer fra et stort univers af molekylære strukturer, en ny disciplin stiger:computermaterialevidenskab.

"Vi er ligesom de fremskudte spejdere, der undersøger terrænet og leder efter de bedste materialer, "Sagde Reed.

Nu hvor de har simuleret potentialet af denne molybdæn-tellur krystal, håber Stanford-forskerne – det tredje holdmedlem er kandidatstuderende Yao Li – at eksperimentelle videnskabsmænd vil udforske mulige anvendelser af denne tre-atom tykke switch.

"Ingen ville have vidst, at dette var muligt før, fordi de ikke vidste, hvor de skulle lede, "Sagde Duerloo.