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Que sont les matériaux 2D et pourquoi intéressent-ils les scientifiques ?

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Si vous avez lu récemment des articles sur la recherche quantique, dans Columbia News ou ailleurs, vous avez peut-être entendu le terme Matériaux 2D ou bidimensionnels.

Une illustration de la structure atomique du graphène, une forme de carbone 2D ultra-résistant.

Une illustration de la structure atomique du graphène, une forme de carbone 2D ultra-résistant.

En janvier, les chimistes de Columbia ont publié une étude sur le premier Fermion lourd 2D, une classe de matériaux contenant des électrons très lourds. En novembre, l’école d’ingénieurs a publié un article sur «Pilotage laser d’un matériau 2D.» Et plus tôt l’année dernière, les chercheurs ont découvert à la fois la supraconductivité et la ferroélectricité dans le même matériau 2D. La liste continue.

Alors, que sont les matériaux 2D et pourquoi les scientifiques s’y intéressent-ils autant ?

Les matériaux bidimensionnels sont exactement ce à quoi ils ressemblent : des matériaux qui n’ont qu’un ou deux atomes d’épaisseur mais qui sont plus larges dans toutes les autres directions. Souvent, les matériaux 2D avec lesquels les scientifiques travaillent mesurent quelques micromètres carrés – invisibles à l’œil nu, mais visibles avec le type de microscope que vous auriez pu utiliser dans les cours de sciences au lycée. Les matériaux 2D avec lesquels les scientifiques travaillent sont un mélange de matériaux naturels, comme le graphène, une forme de carbone ultra-résistant découvert à Columbia en 2004, et de matériaux synthétisés en laboratoire, comme CeSil, un cristal assemblé pour la première fois à Columbia l’année dernière. composé de cérium, de silicium et d’iode. Ces matériaux commencent généralement en trois dimensions, et les scientifiques les décomposent en deux dimensions pour mener des expériences sur eux et découvrir quelles propriétés physiques, comme supraconductivité ou magnétisme, pourrait apparaître lorsque les matériaux sont atomiques plats. Les scientifiques travaillent au développement de nouvelles façons de créer des matériaux 2D à partir de zéro, sans avoir besoin de les séparer de la 3D, mais la qualité de ceux-ci est encore imparfaite.

De nombreux éléments rendent les matériaux 2D intéressants, mais le principal est qu’ils limitent la manière dont les particules telles que les électrons peuvent se déplacer à l’intérieur de ceux-ci. Xavier Roy, chimiste de Colombie a utilisé une analogie avec le trafic pour expliquer:

« Pensez-y comme ceci : si nous avions des voitures volantes capables de voyager dans un espace tridimensionnel, nous serions en mesure de réduire la majeure partie du trafic à New York. Mais comme nos voitures actuelles ne peuvent voyager que dans deux dimensions, nous nous retrouvons avec d’énormes embouteillages à Times Square », a déclaré Roy dans une récente interview.

« La même chose se produit pour les électrons lorsque nous passons de la 3D à la 2D, mais dans notre cas, le « trafic » entre électrons est bénéfique ! À mesure que ces interactions électron-électron deviennent plus fortes, nous pouvons complètement modifier les propriétés d’un matériau. Par exemple, à mesure que l’épaisseur des matériaux à fermions lourds 3D est réduite (c’est-à-dire à mesure qu’ils deviennent plus bidimensionnels), ils peuvent passer du statut magnétique au supraconducteur.

Les matériaux bidimensionnels peuvent également être relativement facilement modifiés : les empiler avec de légers angles entre les couches, appliquer des forces telles que des champs électriques et des champs magnétiques et tendre les matériaux en les tordant ou en leur appliquant une pression peut modifier leurs propriétés. Prenons juste un exemple : en empilant simplement deux feuilles d’un matériau appelé diséléniure de tungstène l’une sur l’autre, en les tordant et en ajoutant ou en supprimant une charge électrique, le matériau peut passer d’un métal conducteur d’électricité à un isolant bloquant l’électricité et retour.

Les scientifiques sont également enthousiasmés par les utilisations potentielles des matériaux 2D dans la technologie, que les scientifiques appellent souvent des « applications ».

Les matériaux bidimensionnels joueront probablement un rôle essentiel dans la prochaine génération d’électronique, y compris les ordinateurs quantiques encore en cours de développement. Pourquoi? En grande partie parce que les matériaux 2D sont ultra-petits avec des propriétés uniques et contrôlables (comme la supraconductivité), et que la technologie est toujours à la recherche de quelque chose qui permet d’obtenir des résultats plus rapidement, plus efficacement et en utilisant moins d’espace.

Source: Université de Colombie

Publié à l’origine dans The European Times.

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