برای نخستین بار لایه‌های به ضخامت اتمی از جنس آهن در حفره‌های کوچکی از یک تکه‌ی سوراخ‌شده از گرافینِ معلق ساخته شده است. این مطالعه توسط یک تیم بین‌المللی از پژوهش‌گران انجام شده است. محاسباتی که این گروه به انجام رسانده‌اند نشان از ماده‌ی جدیدی دارد که از برخی ویژگی‌های مفید بالقوه‌ و عجیب و غریب (همچون ممان مغناطیسی بزرگ) برخوردار است. با این حال این گروه معتقد است که ساختار پیشنهادی آن‌ها به لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار خواهد بود اگر چنان‌چه بیش از ۱۲ اتم پهنا داشته باشد: مشکلی که بایستی قبل از آن‌که این ماده بتواند در کاربردهای عملی (مانند ذخیره‌ی مغناطیسی داده‌ها) حضور داشته باشد مرتفع گردد.

چون در فلزات پیوند بین اتم‌ها بواسطه‌ی الکترون‌های رسانشی انجام می‌شود و این الکترون‌ها در هر جهتی می‌توانند آزادانه حرکت کنند٬ بنابراین در نگاه اول پایداری یک جامد دوبعدی معلق غیرممکن به نظر می‌رسد. فلزات مایلند تا ساختارهای بلوری سه بعدی داشته باشند و هیچ تمایلی برای تشکیل ورقه‌های مسطح ندارند. این موضوع با کربن بلورین شباهتی ندارد چون در این ماده اتم‌ها بواسطه‌ی پیوندهای کووالانسی جهت‌دار در کنار هم قرار می‌گیرند: چیزی که باعث می‌شود ورقه‌ی نازکی از گرافین به شکل آزاد وجود داشته باشد. با این‌که تک‌لایه‌های جهت‌دار از اتم‌های فلزات می‌توانند بر روی یک زیرلایه ایجاد شود٬ اما درواقع این یک ماده دوبعدی محسوب نمی‌شود چون اتم‌ها با ساختار زیرین خود نیز پیوند دارند.

نمایشی از یک شبکه‌ی دوبعدی با تقارن مربعی از اتم‌های آهن (کره‌های نارنجی‌رنگ) که در منفذی از گرافین معلق تشکیل شده‌اند.

ایجاد یک شکاف

در این پژوهش جدید٬ مارک روملی (Mark Rümmeli) و همکارانش از موسسه‌ی لایبنیتس برای حالت جامد و تحقیقات مواد در شهر درسدن آلمان و از موسساتی در لهستان و کره٬ رفتار اتم‌های فلزی را در لبه‌ی شکاف‌های گرافین مطالعه کرده‌اند. آنان ورقه‌ای از گرافین را با نهشتن بخار شیمایی بر روی یک سطح رشد داده‌ و با اِچینگ زیرلایه با استفاده از محلول کلرید آهن آن را جدا ساخته‌اند. این کار باعث می‌شود تا مقداری آهن بر روی سطح گرافین رها شود. اگر گرافین را٬ با پرتویی از الکترون‌ها٬ تحت تابش قرار دهیم٬ حفره‌های کوچکی ایجاد شده و اتم‌های آهن نیز تشویق می شوند تا حول چنان حفره‌هایی حرکت کنند. اتم‌هایی که در لبه‌ی گرافین وجود دارند واکنشی‌ترین اتم‌ها هستند چون پیوندهای آویزان دارند. بنابراین وقتی اتم‌های آهنِ سرگردان با لبه‌های یک حفره مواجه می‌شوند٬ با آن پیوند برقرار می‌کنند. این کار با اتم‌های آهنی که با دیگر اتم‌های آهن حول لبه‌ی گرافین پیوند برقرار کرده‌اند ادامه می‌یابد٬ تازمانی که حفره‌ی مورد نظر با شبکه‌ی مربعی دوبعدی از آهن به نوعی کاملاً مهر و موم شود.

محاسبات نظری این گروه نشان می‌دهد که بزرگ‌ترین ورقه‌ای که می‌تواند از لحاظ ترمودینامیکی پایدار باشد بایستی در حدود ۱۲ اتم یا تنها ۳ نانومتر پهنا داشته باشد. بزرگ‌ترین ورقه مشاهده شده در این آزمایش تنها ۱۰ اتم پهنا داشت. اگر تعداد اتم‌ها از این مقدار فراتر رود٬ اتم‌های آهن تمایل خواهند داشت تا یک ساختار سه بعدی تشکیل دهند به عوض آن‌که با اتم‌های کربن در لبه‌ها پیوند برقرار کنند. آن‌طور که روملی (که اکنون در موسسه‌ی علوم پایه در کره فعالیت دارد) توضیح می‌دهد: « معمولاً این اتم‌ها بلور کوچکی را تشکیل می‌دهند که به یکی از لبه‌های حفره می‌چسبد.»

محاسبات دیگر پیشنهاد می‌دهد که وقتی اتم‌های آهن شبکه‌ی دوبعدی می‌سازند تغییرات ساختار نواری الکترونیِ آهن منجر به ممان مغناطیسیِ بزرگ‌تری نسبت به حالت حجمی آهن می‌شود. به تصور پژوهش‌گران این موضوع می‌تواند ماده‌ی مورد نظر را برای استفاده در حافظه‌های مغناطیسی مناسب کند. با این‌ وجود روملی اظهار می‌کند پژوهش اساسی‌تری بایستی انجام شود قبل از آن‌که این غشاها بتوانند برای کاربردهای عملی مورد بررسی واقع شوند. به گفته‌ی او: «تاریخ نشان داده است که وقتی کسی با یک ماده‌ی جدیدِ غیرمنتظره وارد می‌شود٬ فرد دیگری معمولاً کاربرد غیرمنتظره‌ای را برای آن یافته است». این تیم تحقیقاتی طرح‌هایی برای ساختن دیگر فلزات دوبعدی به روش مشابه در دست دارند که ویژگی‌های آن‌ها را مورد کاوش قرار می‌دهند.

مشکلات پایداری

پتریو گامباردلا (Pietro Gambardella) یک پژوهش‌گر مواد در ETH زوریخ می‌گوید که این کار از نقطه‌نظر بنیادی بسیار جذاب است اما وی در مورد کاربردهای مهندسی بالقوه‌ی آن شک و تردید دارد. به بیان او :«اگر چیزی داشته باشید که وقتی بیش از ۱۲ اتم پهنا دارد می‌شکند٬ واضح است که چنین ماده‌ای کاملاً ناپایدار است. بنابراین این‌که چگونه بتوان آن را در یک قطعه‌ و بدون فروپاشی مورد استفاده قرار داد کار دشواری است».

آرکادی کراشینینکف (Arkady Krasheninnikov)٬ نظریه‌پرداز ساختار نواری از دانشگاه آلتو و دانشگاه هلسینکی که هردو در فنلاند قرار دارند٬ به این موضوع خوشبینانه‌تر نگاه می‌کند. به بیان او: «روشن است که این ماده در حال حاضر برای استفاده در بیرون آزمایشگاه بسیار ناپایدار است اما کاملا حیرت‌انگیز است که چنان ساختار دوبعدی می‌تواند وجود داشته باشد. اکنون همه بایستی در جستجوی راهی برای هرچه پایدارتر ساختن چنان ساختاری باشند» وی پیشنهاد می‌کند که ممکن است ساندویچ‌کردن این ماده بین دو لایه از گرافین به پایداری آن بیانجامد. به گفته‌ی وی: «خوشبختانه ویژگی‌های مغناطیسی عجیب و غریب آن هنوز باقی می‌ماند.»

این تحقیق در مجله ساینس انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

تیم وگان (Tim Wogan) نویسنده‌ای علمی در انگلستان است.

منبع:

Graphene-like iron made in the lab