(Phys.org) —Grafeen—het dunste en sterkste bekende materiaal in het universum en een formidabele geleider van elektriciteit en warmte — dankt veel van zijn verbazingwekkende eigenschappen aan het feit dat het slechts twee dimensies inneemt:het heeft lengte en breedte, maar geen hoogte , omdat het is gemaakt van een enkele laag atomen.

Nu hebben wetenschappers een 3D-materiaal ontdekt dat zich gedraagt ​​als 2D-grafeen. Hoewel dit specifieke materiaal erg onstabiel is, het onderzoek toont aan dat het mogelijk is om een ​​materiaal te vinden met de eigenschappen die grafeen te bieden heeft in een dikkere, stevigere vorm die gemakkelijker te verwerken is in elektronische apparaten.

Het onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van de nationale laboratoria SLAC en Lawrence Berkeley, rapporteerden hun resultaten vandaag in Wetenschap Express .

"Sinds grafeen in 2004 werd geïsoleerd, onderzoekers over de hele wereld hebben gezocht naar manieren om ten volle te profiteren van de vele wenselijke eigenschappen, " zei Yulin Chen van de Universiteit van Oxford, die een natuurkundige was bij Berkeley Lab toen hij de studie startte. "Maar juist datgene wat grafeen speciaal maakt - het feit dat het uit een enkele laag atomen bestaat - maakt het soms moeilijk om mee te werken, en een uitdaging om te produceren."

Grafeen is een één atoom dik vel koolstofatomen afgepeld van een stuk grafiet, die bekend staat als het lood in potloden. Een van zijn kenmerken is het vreemde gedrag van zijn elektronen:wanneer ze beperkt zijn tot deze dunne laag van atomen op regelmatige afstanden, deze lichtgewicht deeltjes doen alsof ze helemaal geen massa hebben. Hierdoor kunnen ze veel sneller dan normaal door het materiaal ritsen. Onderzoekers onderzoeken manieren om deze eigenschappen te gebruiken om zeer snelle transistors te maken, sensoren en zelfs transparante elektroden.

Een paar jaar geleden, theoretici stelden voor dat een dikker materiaal - technisch bekend als een driedimensionaal topologisch Dirac-halfmetaal - dezelfde elektronische eigenschappen zou kunnen hebben als 2D-grafeen. De race was begonnen om te zien of dit waar was. Als een dergelijk materiaal bestond, het zou een nieuwe kwantumtoestand van materie vormen, bepaald door het unieke gedrag van zijn elektronen.

Chen's groep onderzocht een natrium-bismutverbinding, nee ₃ Bi die door de theoretici Zhong Fang en Xi Dai van de Chinese Academie van Wetenschappen als een waarschijnlijke kandidaat was geïdentificeerd, die co-auteurs zijn van het nieuwe rapport.

Zijn laboratorium in Oxford maakte monsters van de verbinding en vloog ze naar Berkeley Lab's Advanced Light Source voor tests - veel moeilijker gemaakt door het feit dat Na ₃ Bi begint te bubbelen en verandert in poeder wanneer het wordt blootgesteld aan lucht.

"Dit materiaal was lang geleden geproduceerd, maar mensen hadden niet de krachtige tools die ze nodig hadden om de elektronische structuur te meten, " zei Zhongkai Liu, een afgestudeerde student met SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC, die de tests uitvoerde met postdoctoraal onderzoeker Bo Zhou van Berkeley Lab en Oxford.

Uit zorgvuldige tests bleek dat Na ₃ Bi's elektronische structuur zorgt ervoor dat het zich als grafeen gedraagt, zei Liu. Hoewel deze specifieke verbinding te onstabiel is om in apparaten te gebruiken, het team test stabielere verbindingen en zoekt naar manieren om ze aan te passen voor toepassingen, hij zei.

Joel E. Moore, een fysicus van de gecondenseerde materie aan de University of California-Berkeley en Berkeley Lab die niet betrokken was bij het onderzoek, merkte in een recent online commentaar op dat andere onderzoeksgroepen ook kandidaat-verbindingen nastreven, met een aantal niet-gepubliceerde rapporten van succes.

De volgende vraag, Hij schreef, is "of deze 3D-halfmetalen evenveel interessante fenomenen zullen ondersteunen als grafeen." Hij voegde eraan toe dat deze materialen een startpunt kunnen zijn voor andere toestanden van materie, en dat de vlaag van nieuwe voorbeelden "zou moeten leiden tot een bredere overweging door theoretici van wat voor interessante fysica deze klasse van materialen mogelijk zou kunnen maken."