Naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk wytworzyli pierwsze stabilne dwuwymiarowe arkusze metali

Zespół badawczy z Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk pod kierownictwem profesorów Guangyu Zhanga i Luojuna Du dokonał przełomowego odkrycia w dziedzinie materiałoznawstwa, wytwarzając pierwsze w historii stabilne dwuwymiarowe (2D) arkusze metali o grubości zaledwie jednego atomu. To osiągnięcie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie "Nature", zostało uznane za jedno z dziesięciu najważniejszych przełomów fizycznych 2025 roku według magazynu "Physics World".

Do tej pory wszystkie istniejące materiały dwuwymiarowe pochodziły z kryształów warstwowych, które - jak wyjaśnia profesor Zhang - przypominają "łatwo rozdzielalne warstwy ciasta", połączone słabymi siłami van der Waalsa. Natomiast metale, podobnie jak 97,5% wszystkich znanych materiałów, charakteryzują się trójwymiarową strukturą atomową, w której atomy są silnie związane wiązaniami metalicznymi.

"Tradycyjne materiały warstwowe przypominają ciasto połączone słabymi siłami van der Waalsa między warstwami, podczas gdy atomy metali są związane silnymi wiązaniami metalicznymi, przypominającymi ściśle upakowane ziarna w ściśniętym ciastku" - tłumaczy Zhang, wskazując na główne wyzwanie w wytwarzaniu dwuwymiarowych metali.

Chińscy naukowcy opracowali nowatorską technikę produkcji nazywaną "ściskaniem van der Waalsa" (vdW squeezing), która umożliwia wytwarzanie dwuwymiarowych metali o grubości rzędu angstremów (1 angstrem = 0,1 nanometra). Metoda ta pozwala nie tylko na uzyskanie różnych rodzajów metali 2D, ale również na precyzyjną kontrolę ich grubości na poziomie atomowym.

Proces wytwarzania polega na umieszczeniu proszku metalicznego między dwiema płaskimi powierzchniami, a następnie stopieniu go w kroplę. Naukowcy stosują ciśnienie rzędu 200 MPa, kontynuując "ściskanie vdW" aż do momentu, gdy przeciwległe strony kowadeł ochłodzą się do temperatury pokojowej, co prowadzi do utworzenia dwuwymiarowych arkuszy metalu.

Za pomocą tej techniki zespół wytworzył pięć rodzajów atomowo cienkich metali 2D: bizmut, gal, ind, cynę i ołów. W niektórych przypadkach otrzymane arkusze miały grubość zaledwie jednego atomu, co czyni je około 200 000 razy cieńszymi od ludzkiego włosa i milion razy cieńszymi od standardowej kartki papieru A4.

Dwuwymiarowe arkusze metali wykazują unikalne właściwości fizyczne, które różnią się od ich odpowiedników trójwymiarowych. Szczególnie jednowarstwowy bizmut charakteryzuje się wyjątkowo wysoką przewodnością elektryczną, co może mieć kluczowe znaczenie dla przyszłych zastosowań.

Profesor Du Luojun podkreśla, że "realizacja jednowarstwowych metali wykracza poza obecne systemy materiałów warstwowych van der Waalsa, wypełniając krytyczną lukę w rodzinie materiałów 2D".

Te przełomowe materiały mogą zrewolucjonizować szereg dziedzin technologicznych, w tym:

- Elektronikę nowej generacji, w tym ultraminiaturowe tranzystory o niskim poborze mocy

- Przezroczyste wyświetlacze

- Obliczenia kwantowe

- Wysokowydajną katalizę

Jak zauważa profesor Zhang, "w zakresie nowych właściwości wciąż istnieje luka w wiedzy na temat pojawiających się elektrycznych, optycznych i magnetycznych właściwości metali 2D". Materiały te mogą stanowić idealny system do badania fundamentalnych zjawisk fizycznych, takich jak kwantowy efekt Halla, dwuwymiarowa nadciekłość i nadprzewodnictwo czy topologiczne przejścia fazowe.

Javier Sanchez-Yamagishi, specjalista w dziedzinie materiałów dwuwymiarowych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, zauważa, że choć chińscy naukowcy nie są pierwszymi, którzy wyprodukowali atomowo cienkie metale, ich wyniki wyróżniają się, ponieważ nowa metoda pozwala na wytwarzanie "wielkoskalowych, prawdziwie dwuwymiarowych metali" w porównaniu z wcześniejszymi technikami.

Osiągnięcie chińskich naukowców otwiera nowe możliwości w badaniach nad materiałami dwuwymiarowymi i może stanowić podstawę dla kolejnych przełomów w fizyce, elektronice i technologiach kwantowych.

Źródła:

https://www.chinadaily.com.cn/a/202503/14/WS67d36968a310c240449dab1b.html 

https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202502/t20250214_901725.shtml 

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3302573/metal-sheets-ultra-thin-feats-are-chinas-... 

https://www.globaltimes.cn/page/202503/1330035.shtml 

https://physicsworld.com/a/two-dimensional-metals-make-their-debut/ 

https://en.ncsti.gov.cn/Latest/news/202503/t20250314_198116.html