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研究人员展示了一种操纵石墨原子结构的新方法，石墨是一种常见但用途广泛的元素。 他们的技术被称为"Slideetronics"，利用范德华力重新配置原子层，有可能将它们转化为具有类似电子存储记忆功能的材料。
特拉维夫大学的研究人员开发出一种突破性方法，可将石墨转化为具有电子存储功能的材料。通过操纵原子层，它们可以彻底改变计算和电子设备，其价值有可能超过钻石和黄金。
改变元素： 从炼金术到先进材料
铜能变成金吗？ 几个世纪以来，炼金术士们一直在追逐这个梦想，却不知道这种转化需要核反应。 另一方面，石墨--铅笔尖的材料与钻石有着相同的基本构成元素：碳原子。 关键区别在于这些原子是如何排列的。 将石墨转化为钻石需要极高的温度和压力来打破和重建化学键，因此是一个不切实际的过程。
特拉维夫大学量子层物质小组负责人摩西-本-沙洛姆（Moshe Ben Shalom）教授认为，一种更容易实现的转化方法是通过巧妙地移动石墨原子层来重新配置它们。 与形成钻石的强化学键不同，石墨中的原子层是靠微弱的范德华力固定在一起的，因此它们可以相互滑动。 本-沙洛姆教授与特拉维夫大学雷蒙德-贝弗利-萨克勒物理天文学院的博士生马扬-维兹纳-斯特恩（Maayan Vizner Stern）和西蒙-萨勒-阿特里（Simon Salleh Atri）在最近发表于《自然-物理评论》（Nature Review Physics）的一项研究中探讨了这一观点。
利用聚类材料进行创新
虽然这种工艺不能制造钻石，但它可能具有更大的技术价值。 如果能快速高效地完成原子层转移，就能开发出微小、高性能的电子存储单元。 这些新设计的"聚类"材料最终可能被证明比钻石和黄金更有价值。
博士生 Maayan Vizner Stern 解释说："与石墨一样，自然界也产生了许多其他具有弱粘合层的材料。 每一层的行为就像一块乐高砖块--打碎一块砖块很难，但分离和重新连接两块砖块却相对简单。 同样，在层状材料中，各层偏好特定的堆叠位置，在这些位置上，原子与相邻层的原子完全对齐。 在这些位置之间的滑动是以微小的、不连续的跳跃方式进行的--每次只有一个原子距离。"
研究团队。 资料来源：特拉维夫大学
滑动电子学： 材料科学的未来
博士生 Simon Salleh Atri 介绍了他们的研究："我们正在开发新的方法，将各层滑动到不同的排列方式，并研究由此产生的材料。 通过施加电场或机械压力，我们可以将层滑动到各种稳定的配置中。 由于这些层在去除外力后仍能保持最终位置，因此它们可以存储信息，起到微小存储单元的作用。"
他们的团队还探索了不同层数如何影响材料特性。 例如，含有两种原子的三层材料可以产生六种不同的稳定材料，每种材料都有独特的内部极化。 如果有五层，这一数字将增加到 45 种不同的可能结构。 通过在这些结构之间切换，研究人员可以控制电学、磁学和光学特性。 即使是完全由碳组成的石墨，也可以重新排列成六种不同的晶体形态，每种形态都具有不同的导电性、红外响应、磁性和超导特性。
主要的挑战在于如何在确保结构转换受控的同时保持材料的稳定性。 他们最近发表的展望论文总结了正在进行的研究，并提出了完善这种"滑动电子"开关机制的新方法，为电子、计算等领域的创新应用铺平了道路。
随着研究的不断深入，这些滑动材料将带来技术革命，提供更快、更高效的内存存储和前所未有的材料特性控制。 精确操纵原子层的能力正在打开材料科学新时代的大门--在这个新时代，最有价值的发现可能不是来自创造黄金，而是来自发掘日常元素的隐藏潜力。
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s42254-024-00781-6
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