شهدت أبحاث علوم المواد في مجال المواد ثنائية الأبعاد تقدما ملحوظا منذ اكتشاف مادة الجرافين في عام 2004. مادة الجرافين هي طبقة ثنائية الأبعاد مكونة من ذرات الكربون المرتبطة معًا بشكل يتيح لكل ذرة كربون الارتباط بثلاث ذرات كربون أخرى، واليوم يتم دراسة العديد من المواد ثنائية الأبعاد لأغراض متنوعة، مثل الـ MXenes لتخزين الطاقة.

التحديات المرتبطة بالمعادن ثنائية الأبعاد

تتمثل الهيكلية الأكثر شيوعا للمواد ثنائية الأبعاد في هيكل بلوري يسمى "الهيكل الطبقي باستخدام قوى فان دير فال" (vdW)، على الرغم من أن هذه المواد تتمتع بالعديد من الخصائص المثيرة للاهتمام، كان العلماء يسعون منذ فترة طويلة إلى استكشاف المعادن ثنائية الأبعاد الرقيقة. ومع ذلك، تعد معالجة المعادن ثنائية الأبعاد أصعب من المواد الأخرى بسبب الطبيعة القوية للتفاعلات عبر الطبقات.

طريقة "الضغط باستخدام قوى فان دير فال" (vdW)

طور باحثون من معهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم تقنية جديدة تسمح بإنتاج معادن ثنائية الأبعاد بشكل فعال، تُعرف هذه الطريقة باسم "الضغط باستخدام قوى فان دير فال" أو "vdW squeezing". تعتمد هذه التقنية على إذابة المعادن النقية ثم ضغطها بين سطحين مستويين للغاية باستخدام دقة عالية لضمان تشكيل المعدن بشكل موحد. بعد تشكيل المعدن، يعمل السطحان كطبقات واقية، مما يحمي المعدن من الأكسدة أو التدهور عند تعرضه للهواء.

نجاحات واعدة في تصنيع معادن ثنائية الأبعاد

باستخدام هذه الطريقة، تمكن الباحثون من إنتاج طبقات رقيقة من معادن متعددة مثل البيزموث والقصدير والرصاص والإنديوم والغاليم، والتي تراوحت سماكتها بين ستة إلى تسعة أنغسترومات أو ما يعادل من ذرتين إلى ثلاث ذرات في الارتفاع. على وجه الخصوص، أظهرت طبقة البيزموث خصائص فيزيائية ممتازة مقارنة بالشكل الطبيعي الأكثر سمكًا، بما في ذلك تحسين كبير في الموصلية الكهربائية.

مزايا طريقة "vdW squeezing" ودورها المستقبلي

تتميز طريقة "vdW squeezing" بمرونتها ودقتها العالية في التحكم في سماكة المعادن ثنائية الأبعاد، بفضل هذه التقنية، يمكن التحكم في سماكة المعدن بدقة ذرية، ما يتيح إنتاج مواد أحادية الطبقة أو ثنائية أو ثلاثية الطبقات، كما أن هذه المواد تتمتع بالاستقرار في الظروف البيئية العادية، وهو ما كان يمثل تحديا كبيرا في التعامل مع المواد ثنائية الأبعاد التي تتدهور بسرعة عند تعرضها للهواء والرطوبة.

توفر هذه التقنية المبتكرة فرصا كبيرة لدراسة خصائص المواد ثنائية الأبعاد التي تعتمد على الطبقات، وهي خطوة هامة نحو استخدام هذه المواد في التطبيقات العلمية والتكنولوجية المستقبلية.