Fra kameraer til computere, nyt materiale kan ændre den måde, vi arbejder og leger på

Serendipity har lige så meget en plads i videnskaben som i kærligheden. Det er, hvad de nordøstlige fysikere Swastik Kar og Srinivas Sridhar fandt under deres fire-årige projekt for at modificere grafen, et uendeligt tyndt gitter, der er stærkere end stål, af tætpakkede kulstofatomer. Primært finansieret af Army Research Laboratory og Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA, forskerne blev anklaget for at gennemsyre det årti gamle materiale med termisk følsomhed til brug i infrarøde billedbehandlingsenheder såsom nattesynsbriller til militæret.

Hvad de afslørede, offentliggjort fredag ​​i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , var så meget mere:et helt nyt materiale spundet ud af bor, nitrogen, kulstof, og oxygen, der viser tegn på magnetisk, optisk, og elektriske egenskaber samt DARPAs eftertragtede termiske. Dens potentielle applikationer kører hele spektret:fra 20-megapixel-arrays til mobiltelefonkameraer til fotodetektorer til atomisk tynde transistorer, der, når de multipliceres med milliarder, kan give brændstof til computere.

"Vi skulle starte fra bunden og bygge alt, siger Kar, en adjunkt i fysik på College of Science. "Vi var på en rejse, skabe en ny vej, en ny forskningsretning."

Parret var bekendt med "legeringer, "kontrollerede kombinationer af elementer, der resulterede i materialer med egenskaber, der oversteg grafenens - f.eks. tilsætning af bor og nitrogen til grafens kulstof for at konnotere den ledningsevne, der er nødvendig for at producere en elektrisk isolator. Men ingen havde nogensinde tænkt på at vælge ilt at tilføje til blandingen.

Hvad fik de nordøstlige forskere til at gøre det?

"Godt, vi valgte ikke ilt, siger Kar, smiler bredt. "Oxygen valgte os."

Ilt, selvfølgelig, er overalt. Ja, Kar og Sridhar brugte meget tid på at prøve at slippe af med ilten, der siver ind i deres bryg, bekymrede for, at det ville forurene det "rene" materiale, de søgte at udvikle.

"Det var her Aha!-øjeblikket skete for os, " siger Kar. "Vi indså, at vi ikke kunne ignorere den rolle, som ilt spiller i den måde, disse elementer blandes sammen på."

"Så i stedet for at prøve at fjerne ilt, vi tænkte:Lad os kontrollere dens introduktion, " tilføjer Sridhar, the Arts and Sciences Distinguished Professor of Physics og direktør for Northeasterns Electronic Materials Research Institute.

Ilt, det viste sig, opførte sig i reaktionskammeret på en måde, som forskerne aldrig havde forudset:Det var bestemmende for, hvordan de andre elementer - bor, kulstof, og nitrogen - kombineret i et fast stof, krystal form, samtidig med at den sætter sig selv ind i gitteret. Spormængderne af ilt var, metaforisk, "ætser væk" nogle af pletterne af kulstof, forklarer Kar, giver plads til bor og nitrogen til at udfylde hullerne.

"Det var som om ilten styrede den geometriske struktur, " siger Sridhar.

De navngav det nye materiale, fornuftigt, 2D-BNCO, repræsenterer de fire elementer i blandingen og todimensionaliteten af ​​det supertynde letvægtsmateriale, og gik i gang med at karakterisere og fremstille den, for at sikre, at den var både reproducerbar og skalerbar. Det betød at undersøge de utallige permutationer af de fire ingredienser, holde tre konstant, mens man varierer målingen af ​​den resterende, og omvendt, flere gange.

Efter hvert forsøg, de analyserede produktets struktur og funktionelle egenskaber – elektriske, optisk - ved hjælp af elektronmikroskoper og spektroskopiske værktøjer, og samarbejdede med beregningsfysikere, som skabte modeller af strukturerne for at se, om konfigurationerne ville være gennemførlige i den virkelige verden.

Dernæst vil de undersøge det nye materiales mekaniske egenskaber og begynde at eksperimentelt validere de tildelte magnetiske, overraskende, ved sammenblanding af disse fire ikke-magnetiske elementer. "Man begynder meget hurtigt at se, hvor kompliceret den proces er, " siger Kar.

Samarbejdspartnere fra hele verden hjalp med denne kompleksitet. Ud over Northeastern associerede forskere, postdoc-stipendiater, og kandidatstuderende, bidragydere omfattede forskere i regeringen, industri, og den akademiske verden fra USA, Mexico, og Indien.

"Der er stadig lang vej igen, men der er klare indikationer på, at vi kan justere de elektriske egenskaber af disse materialer, " siger Sridhar. "Og hvis vi finder den rigtige kombination, vi vil højst sandsynligt nå til det punkt, hvor vi når den termiske følsomhed, som DARPA oprindeligt ledte efter, såvel som mange endnu uforudsete applikationer."