Mikroskopisk Lego for at holde videnskabsmænd beskæftiget de næste 50 år

Atom-skala byggeklodser, der er blevet sammenlignet med mikroskopisk Lego, giver forskere mulighed for at lege med egenskaberne af almindelige materialer, og mulighederne er så store, at det kan holde videnskabsfolk beskæftiget i de næste 50 år.

Fra stenalderen til Silicon Valley, materialer har defineret civilisationernes teknologiske muligheder.

Professor Andre Geim ved University of Manchester i Storbritannien kender godt til den værktøjskasse, der findes i dag. I 2010 han blev tildelt Nobelprisen i fysik for at udvide den med en eksotisk form for kulstof kendt som grafen.

I modsætning til materialer hentet fra naturen, grafen er en skabelse af videnskab. Den er pillet af grafit i honeycomb-motiver så tynd som et enkelt atom. Kvantelovene, der hersker på disse små skalaer, får elektroner til at bevæge sig gennem grafen på usædvanlige måder.

"Grafen kan være stærkere end stål, mere ledende end kobber og så gennemsigtig som glas, sagde prof. Geim. 'Det er ulig noget stof, der findes i naturen.'

Nu, som en del af ARTIMATTER-projektet finansieret af EU's Europæiske Forskningsråd, Prof. Geim skræddersyer stof med endnu mere besynderlige egenskaber ved at stable grafen oven på andre atomisk tynde materialer.

At blande og matche todimensionelle lag lavet af forskellige elementer giver anledning til bemærkelsesværdige fysiske egenskaber. Ifølge prof. Geim, den rigtige kombination af byggeklodser kan gøre isoleringsmaterialer til ledere, tune de farver, de absorberer, og synkronisere elektronernes opførsel inde i dem.

Disse egenskaber stammer fra dybe ændringer i, hvordan materialerne opfører sig. Udnyttet rigtigt, de kan overvinde etablerede barrierer i moderne elektronik, såsom at reducere responstiden for fjerninfrarøde detektorer, eller måske endda opretholde superledning ved stuetemperatur.

De nye byggeklodser giver også værktøjer til at teste videnskabelige teorier og udforske nye fænomener. Det, vi lærer af deres excentriciteter, kan påvirke fremtidig teknologi lige så dybt, som halvlederfysik har transformeret computer- og telekommunikationssektoren i dag.

Uendelige muligheder

'Videnskabeligt set, grafen er færdig. Vi forstår nu, hvordan det virker og er ved at finde applikationer til det, sagde prof. Geim. 'Men mulighederne for at kombinere grafen med andre atomare tynde materialer er næsten uendelige. Jeg kan ikke se, at dette Lego-værk bliver færdigt på noget tidspunkt inden for de næste 50 år.'

En grund til, at det er svært at forudse de potentielle resultater af nanoskopiske byggeklodser, er, at computerne, der beregner, hvordan de passer sammen, ikke er kraftige nok til at tage højde for deres fulde kompleksitet.

Dr. Barbara Capone fra universitetet i Wien, Østrig, og Roma Tre University, Italien, arbejder på polymerer - lange kæder af atomer, der gentager millioner af gange den samme sekvens.

Selvom databehandlere kan forudsige, hvordan disse byggeklodser opfører sig, når de er alene eller i tætte grupper, de kan ikke følge reaktioner, der finder sted, når sparsomme polymerkoncentrationer blandes.

'Vi kan simulere, hvordan individuelle atomer opfører sig i enkelte molekyler, og for tætte koncentrationer, vi kan gennemsnittet ud af milliarder af knæk og særheder, sagde Dr Capone. "Men hvad der sker mellem disse ekstremer forbliver mystisk, fordi der er for mange molekyler at spore og for få til at generalisere ud fra."

Bite-størrelse

Dr. Capone har brugt år på at forfine statistiske metoder inden for teoretisk fysik for at hjælpe computere med at komme overens med kompleksiteten. I stedet for at følge hver brik af puslespillet samtidigt, hun grupperer reaktioner i små områder og modellerer interaktioner mellem deres lokale gennemsnit. Når det anvendes på sparsomme polymerkoncentrationer, hendes forenklinger afslører perler blandt lidelsen.

"Disse polymerer er bemærkelsesværdige byggesten, sagde Dr Capone. 'Afhængigt af hvor lange og tætte vi laver dem, eller hvordan vi poder kæderne til hinanden, de foldes til helt andre former.'

I princippet, den rigtige blanding af ingredienser kunne spontant dannes i de kubiske søjler af almindelige halvledende krystaller, det amorfe netværk af glas, eller endda bikagestrukturen af ​​grafen.

Dette er velkomne nyheder for alle, der arbejder med materialer til elektronik. At skulpturere de perfekte atomgitre, der er nødvendige for at bygge transistorer eller solceller af høj kvalitet, kræver i øjeblikket enorme mængder tid og energi.

Dr. Capones kolleger tager eksperimentelle skridt hen imod en anden ansøgning. Som en del af det EU-finansierede NANODRIVE-projekt, de vil producere stjerneformede polymerer, der kollapser ved at reagere med en given forbindelse og derefter frigive deres last, når de når et ønsket miljø.

Dette er i bund og grund, hvordan lægemidler leverer kemikalier, kun de gør det med snoede komplicerede molekyler. Forenkling af komponenterne kan gøre processen mere økonomisk og alsidig.

'Mulighederne er uendelige, sagde Dr Capone, der lancerer NANODRIVE i denne måned. 'Med nogle få justeringer, disse polymerer kunne danne strukturer, der indkapsler forurenende stoffer og filtrerer dem ud af drikkevandet.'

Dr. Capone siger, at hun er begejstret både over de sociale fordele, som sådan en teknologi kan bringe i nødsituationer, og den indsigt, som grundlæggende byggeklodser kan tilbyde på fysisk, kemiske og biologiske processer, der finder sted på nanoskala.

'Jeg har altid været interesseret i at finde den enkleste måde at gøre noget kompliceret på, sagde Dr Capone. 'Det er ofte den bedste måde at forstå, hvordan det fungerer.'