Serendipiteit heeft evenzeer een plaats in de wetenschap als in de liefde. Dat ontdekten de noordoostelijke natuurkundigen Swastik Kar en Srinivas Sridhar tijdens hun vierjarige project om grafeen te modificeren, een oneindig dun rooster sterker dan staal van dicht opeengepakte koolstofatomen. Voornamelijk gefinancierd door het Army Research Laboratory en Defense Advanced Research Projects Agency, of DARPA, de onderzoekers werden belast met het doordrenken van het tien jaar oude materiaal met thermische gevoeligheid voor gebruik in infraroodbeeldapparatuur zoals nachtkijkers voor het leger.

Wat ze hebben opgegraven, vrijdag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , was zoveel meer:​​een geheel nieuw materiaal gesponnen uit boor, stikstof, koolstof, en zuurstof die tekenen vertoont van magnetische, optisch, en elektrische eigenschappen, evenals de gewilde thermische eigenschappen van DARPA. De mogelijke toepassingen ervan lopen uiteen:van 20-megapixel arrays voor mobiele telefooncamera's tot fotodetectoren tot atomair dunne transistors die, wanneer vermenigvuldigd met miljarden, computers van brandstof kunnen voorzien.

"We moesten helemaal opnieuw beginnen en alles opbouwen, " zegt Kar, een assistent-professor natuurkunde aan het College of Science. "We waren op reis, een nieuwe weg creëren, een nieuwe onderzoeksrichting."

Het paar was bekend met "legeringen, "gecontroleerde combinaties van elementen die resulteerden in materialen met eigenschappen die die van grafeen overtroffen, bijvoorbeeld, de toevoeging van boor en stikstof aan de koolstof van grafeen om de geleidbaarheid aan te duiden die nodig is om een ​​elektrische isolator te produceren. Maar niemand had er ooit aan gedacht om zuurstof te kiezen om aan de mix toe te voegen.

Wat bracht de noordoostelijke onderzoekers ertoe dit te doen?

"We zullen, we hebben geen zuurstof gekozen, " zegt Kar, breed lachend. "Zuurstof heeft ons gekozen."

Zuurstof, natuurlijk, is overal. Inderdaad, Kar en Sridhar hebben veel tijd besteed aan het verwijderen van de zuurstof die in hun brouwsel sijpelt, bang dat het het "pure" materiaal dat ze wilden ontwikkelen zou besmetten.

"Dat is waar het Aha!-moment voor ons gebeurde, " zegt Kar. "We realiseerden ons dat we de rol die zuurstof speelt in de manier waarop deze elementen zich vermengen niet konden negeren."

"Dus in plaats van te proberen zuurstof te verwijderen, we dachten:laten we de introductie ervan beheersen, " voegt Sridhar toe, de Arts and Sciences Distinguished Professor of Physics en directeur van Northeastern's Electronic Materials Research Institute.

Zuurstof, het bleek, gedroeg zich in de reactiekamer op een manier die de wetenschappers nooit hadden verwacht:het bepaalde hoe de andere elementen - het borium, koolstof, en stikstof-gecombineerd in een vaste stof, kristalvorm, terwijl hij zichzelf ook in het rooster steekt. De sporen van zuurstof waren, figuurlijk, "wegetsen" van enkele van de stukjes koolstof, legt Kar uit, om ruimte te maken voor boor en stikstof om de gaten te vullen.

"Het was alsof de zuurstof de geometrische structuur controleerde, ' zegt Sridhar.

Ze noemden het nieuwe materiaal, verstandig, 2D-BNCO, die de vier elementen in de mix en de tweedimensionaliteit van het superdunne lichtgewicht materiaal vertegenwoordigen, en begonnen met het karakteriseren en vervaardigen ervan, om ervoor te zorgen dat het zowel reproduceerbaar als schaalbaar was. Dat betekende het onderzoeken van de talloze permutaties van de vier ingrediënten, drie constant houden terwijl de meting van de resterende wordt gevarieerd, en vice versa, meerdere keren over.

Na elke proef, ze analyseerden de structuur en de functionele eigenschappen van het product:elektrisch, optisch - met behulp van elektronenmicroscopen en spectroscopische hulpmiddelen, en werkte samen met computationele fysici, die modellen van de structuren heeft gemaakt om te zien of de configuraties in de echte wereld haalbaar zouden zijn.

Vervolgens zullen ze de mechanische eigenschappen van het nieuwe materiaal onderzoeken en beginnen met het experimenteel valideren van de magnetische eigenschappen die zijn toegekend, verrassend genoeg, door de vermenging van deze vier niet-magnetische elementen. "Je begint heel snel te zien hoe ingewikkeld dat proces is, " zegt Kar.

Bij die complexiteit hielpen medewerkers van over de hele wereld. Naast Noordoost-associate onderzoekswetenschappers, postdoctorale fellows, en afgestudeerde studenten, medewerkers waren onder meer onderzoekers bij de overheid, industrie, en de academische wereld uit de Verenigde Staten, Mexico, en Indië.

"Er is nog een lange weg te gaan, maar er zijn duidelijke aanwijzingen dat we de elektrische eigenschappen van deze materialen kunnen afstemmen, " zegt Sridhar. "En als we de juiste combinatie vinden, we zullen zeer waarschijnlijk het punt bereiken waarop we de thermische gevoeligheid bereiken waarnaar DARPA aanvankelijk op zoek was, evenals vele tot nu toe onvoorziene toepassingen."