فوری: انقلاب در مواد مغناطیسی دو بعدی! کشف FGT-TCNQ با قدرت 5 برابر بیشتر

تحولات نوین در مواد دو بعدی و ویژگی‌های مغناطیسی آن‌ها

مواد دو بعدی، که فقط چند اتم ضخامت دارن، دنیایی از امکانات جدید رو برای فناوری‌های کوچیک ارائه می‌کنن؛ اندازه‌شون میکروسکوپیه، ولی توانایی‌هاشون با دستگاه‌های امروزی برابری می‌کنه. پژوهشگرای دانشگاه ایالت فلوریدا، یه روش جدید برای ساخت یه نوع ماده‌ی دو بعدی و قوی‌تر کردن ویژگی‌های مغناطیسی‌ش کشف کردن. این پژوهش تو مجله‌ی Angewandte Chemie منتشر شده.

گروه تحقیقاتی روی یه آهن‌ربای فلزی، که از آهن، ژرمانیوم و تلوریوم ساخته شده و اسمش FGT هست، دو تا پیشرفت بزرگ داشتن: یه روش جمع‌آوری که ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های معمولی ماده تولید می‌کنه و توانایی تغییر دادن ویژگی‌های مغناطیسی FGT با یه فرآیند شیمیایی.

مایکل شاتروک، استاد دپارتمان شیمی و بیوشیمی، که رهبری این پژوهش رو به‌عهده داشت، می‌گه: «مواد دو بعدی به‌خاطر شیمی، فیزیک و کاربردهای احتمالی‌شون خیلی جذاب هستن. ما داریم به سمت توسعه‌ی دستگاه‌های الکترونیکیِ بهتر حرکت می‌کنیم، که انرژی کمتری مصرف کنن و سبک‌تر، سریع‌تر و پاسخگوتر باشن. مواد دو بعدی بخش بزرگی از این معادله هستن، ولی هنوز کارای زیادی باید انجام بشه تا قابل استفاده بشن. تحقیقات ما بخشی از این تلاش هست.»

پژوهش با استفاده از روش لایه‌برداری فازی مایع شروع شد؛ این یه تکنیک پردازش محلوله که ورقه‌های نانوی دو بعدی رو از کریستال‌های لایه‌ای تو مقادیر زیاد تولید می‌کنه. گروه تحقیقاتی دیدن که پژوهشگرای دیگه از این روش برای ساخت نیمه‌رساناهای دو بعدی استفاده می‌کنن و تصمیم گرفتن اون رو برای مواد مغناطیسی هم به‌کار ببرن. لایه‌برداری فازی مایع این امکان رو به شیمیدان‌ها می‌ده که مواد بیشتری رو نسبت به روش‌های رایج لایه‌برداری مکانیکی، که توش از نوار چسب استفاده میشه، جمع‌آوری کنن. به‌نظر شاتروک، این روش به پژوهشگرا اجازه داد تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از روش‌های لایه‌برداری مکانیکی، مواد جمع‌آوری کنن.

شاتروک می‌گه: «این اولین قدم بود، و ما متوجه شدیم که این روش خیلی کارآمد هست. وقتی لایه‌برداری رو انجام دادیم، فکر کردیم: “خب، به‌نظر می‌رسه لایه‌برداری کار آسونیه. اگه شیمی رو به این نانوورقه‌های لایه‌برداری‌شده اعمال کنیم، چی‌ میشه؟”» موفقیت اونا تو لایه‌برداری، منجر به تولید مقدار کافی از FGT شد تا بشه بیشتر تو شیمی این ماده بررسی‌ش کرد. گروه، نانوورقه‌ها رو با یه ترکیب آلی به‌ اسم TCNQ یا ۷،۷،۸،۸-تتراسیانوکینودیمتان مخلوط کرد.

تحول تازه تو مواد مغناطیسی: FGT-TCNQ

این فرآیند، ماده‌ی جدیدی به اسم FGT-TCNQ رو به‌وجود آورد، که نتیجه‌ی انتقال الکترون‌ها از نانوبرگ‌های FGT به مولکول‌های TCNQ هست. این ماده‌ی جدید، یه پیشرفت دیگه بود – یه آهن‌ربای دائمی با سختی مغناطیسی بالاتر، که یه معیاره برای اندازه‌گیری توانایی یه آهن‌ربا در برابر میدان مغناطیسی خارجی.

بهترین آهن‌رباهای دائمی که تو فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌شن، می‌تونن میدان‌های مغناطیسی چند تسلا رو تحمل کنن، ولی به‌دست آوردن یه مقاومت این‌چنینی با آهن‌رباهای دو بعدی مثل FGT خیلی سخته. درواقع، تو مواد حجیم، گشتاور مغناطیسی می‌تونه با یه میدان تقریبا ناچیز تغییر کنه – به‌عبارت دیگه، این ماده تقریباً سختی مغناطیسی صفره.

برش کریستال‌های FGT به نانوبرگ‌ها، ماده‌ای با سختی مغناطیسی حدود 0.1 تسلا تولید کرد، که برای خیلی از کاربردها کافی نیست. ولی وقتی پژوهشگرای دانشگاه FSU TCNQ رو به نانوبرگ‌های FGT اضافه کردن، سختی مغناطیسی رو به 0.5 تسلا رسوندن؛ که پنج برابر افزایش داشت و برای کاربردهای احتمالی آهن‌رباهای دو بعدی، خیلی امیدوارکننده است؛ به‌عنوان مثال، برای فیلتر کردن اسپین، محافظت الکترومغناطیسی یا ذخیره‌سازی داده‌ها.

برعکس الکترومغناطیس‌ها، که برای حفظ میدان مغناطیسی به برق نیاز دارن، آهن‌رباهای دائمی به‌طور خودکار میدان مغناطیسی پایدار دارن. این آهن‌رباها اجزای حیاتی تو انواع فناوری‌ها هستن، مثل دستگاه‌های MRI، هارد دیسک‌ها، تلفن‌های همراه، توربین‌های بادی، بلندگوها و بقیه‌ی وسایل.

برنامه‌های آینده‌ی پژوهشگرا

پژوهشگرا قصد دارن امکان درمان مواد رو از راه‌های دیگه، مثل انتقال گاز یا برش لایه‌ی مولکولی TCNQ یا مولکول‌های فعال مشابه و اضافه کردنش به ماده‌ی مغناطیسی، بررسی کنن. اونا همچنین بررسی می‌کنن که چطوری این درمان ممکنه روی بقیه‌ی مواد دو بعدی، مثل نیمه‌رساناها، تأثیر بذاره.

این یه کشف هیجان‌انگیزه، چون راه‌های زیادی رو برای کاوش بیشتر باز می‌کنه،

به گفته‌ی گوویند سارنگ، دانشجوی دکترا و یکی از نویسنده‌های این پژوهش. «آهن‌رباهای مختلفی وجود دارن که می‌تونن به تثبیت آهن‌رباهای دو بعدی کمک کنن، و طراحی موادی با لایه‌های متعدد که ویژگی‌های مغناطیسی‌شون برای افزایش کارایی‌شون دستکاری می‌شن، ممکنه.»

نویسنده‌های همکار این پژوهش تو دانشگاه FSU شامل خودآموز جیما گارسیا-الیور و پژوهشگر دانشگاهی یان شین بودن. همکارایی از دانشگاه والنسیا، اسپانیا، شامل آلبرتو م. رویز و پرفسور خوزه جی. بالدوی بودن. این پژوهش توسط بنیاد ملی علوم حمایت شد.