Για κάποιον που δεν είναι εξοικειωμένος με τις πολύπλοκες μελέτες των δισδιάστατων υλικών, η λέξη “Twistronics” μπορεί να ακούγεται σαν το ‘έξυπνο’ όνομα της spin-off ενός ερευνητικού ιδρύματος ή μιας startup που πουλάει ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Βέβαια τα πράγματα δεν είναι ακριβώς έτσι, αν και ο όρος σχετίζεται με την επιστήμη και με τεχνολογικές εφαρμογές.
Το “Twistronics” προέκυψε από τον συνδυασμό των λέξεων twist (=συστροφή) και electronics (=ηλεκτρονικά) και είναι ένα νέο πεδίο μελέτης στη διασταύρωση της νανοτεχνολογίας με την επιστήμη των υλικών.
Το Twistronics περιλαμβάνει τον χειρισμό των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των δισδιάστατων (2D) υλικών με στρώσεις, όπως είναι το γραφένιο, με ελεγχόμενη ακρίβεια της γωνίας συστροφής μεταξύ διαδοχικών στρωμάτων. Με απλά λόγια είναι η διαδικασία που λαμβάνει χώρα όταν παίρνουμε δύο στρώματα ενός 2D υλικού και στρίβουμε το επάνω στρώμα στον επιθυμητό βαθμό διατηρώντας το κάτω σταθερό, τροποποιώντας έτσι τις ηλεκτρικές, φωτονικές και μαγνητικές του ιδιότητες.
credits: FORTH/C. Tsoumplekas
«Η εμφάνιση του Twistronics ως ερευνητικού πεδίου ήταν αποτέλεσμα της συνεχούς εξερεύνησης δισδιάστατων υλικών. Το ταξίδι ξεκίνησε με την ανακάλυψη και την απομόνωση του γραφενίου το 2004 από τους ερευνητές Αντρέ Γκάιμ και Κάστια Νοβοσέλοφ, οι οποίοι κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 2010. Θεωρούμενο ως ο πρωτοπόρος των δισδιάστατων υλικών, το γραφένιο άνοιξε ένα μονοπάτι για την ανακάλυψη άλλων μονοστρωματικών υλικών με ένα ευρύ φάσμα χημικών και κρυσταλλικών δομών», περιγράφει από το βήμα του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) ο πρωτοπόρος Έλληνας ερευνητής του Χάρβαρντ, καθηγητής Ευθύμιος Καξίρας, ο οποίος μαζί με τον καθηγητή Pablo Jarillo-Herrero και τους συνεργάτες του στο ΜΙΤ είναι από τους πρωτεργάτες στο πεδίο του Twistronics. Μάλιστα, ο όρος Twistronics επινοήθηκε και εισήχθηκε για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία από τον καθηγητή Καξίρα, για να περιγράψει την απίστευτη συμπεριφορά των πολυστρωματικών δισδιάστατων υλικών με ελεγχόμενη γωνία συστροφής.
Ο Έλληνας κάτοχος της Έδρας John Hasbrouck Van Vleck, Καθαρής και Εφαρμοσμένης Φυσικής και καθηγητής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ έχει έρθει στην Ελλάδα και συγκεκριμένα στο Ηράκλειο της Κρήτης για να δώσει μια διάλεξη στο ΙΤΕ, με αφορμή τον εορτασμό των 40 χρόνων λειτουργίας του πρωτοπόρου αυτού ερευνητικού οργανισμού. Η διάλεξή του, η οποία άνοιξε τις εορταστικές εκδηλώσεις την περασμένη Κυριακή είχε ακριβώς αυτό το θέμα: “Twistronics: new physics and applications in two-dimensional solids with a twist” (“Twistronics: νέα φυσική και εφαρμογές σε δισδιάστατα στερεά με μια συστροφή”).
credits: wikimedia commons
Ζώντας σε έναν δισδιάστατο κόσμο
Ζώντας σε έναν τρισδιάστατο κόσμο, δύσκολα φαντάζεται κάποιος ένα υλικό που έχει μόνο μήκος και πλάτος, αλλά όχι πάχος (ή ύψος). Όταν πρόκειται για υλικά, ο όρος ‘δισδιάστατος’ είναι ελαφρώς παραπλανητικός.
«Το πάχος ενός δισδιάστατου υλικού δεν είναι ακριβώς μηδενικό, όπως στο αντίστοιχο γεωμετρικό επίπεδο, αλλά είναι τόσο λεπτό που είναι άνευ σημασίας. Τα δισδιάστατα υλικά έχουν συχνά πάχος είτε ενός, είτε πολύ λίγων (2 έως 5) στρωμάτων ατόμων.
Συχνά, ο όρος «μονόστρωμα» χρησιμοποιείται για υλικό 2D που συνίσταται από ένα μόνο στρώμα ατόμων (πάχους περίπου μισό νανόμετρο, όπου το νανόμετρο ορίζεται ως ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου)», εξηγεί ο Καθηγητής.
Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο μονό στρώμα εξαγωνικού πλέγματος από άτομα άνθρακα, το οποίο μερικοί χαριτολογώντας το αποκαλούν μικροσκοπικό «κοτετσόσυρμα». Κάθε στρώμα γραφενίου διαθέτει ιδιαίτερες ηλεκτρικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν με ταχύτητες περίπου 4 χιλιάδες φορές πιο γρήγορα από ό,τι στα καλύτερα μέταλλα, όπως ο χαλκός.
«Δυστυχώς, στο γραφένιο υπάρχουν ελάχιστα ηλεκτρόνια διαθέσιμα για ηλεκτρική αγωγιμότητα, σε αντίθεση με τα συμβατικά μέταλλα. Το μονόστρωμα του γραφενίου είναι δηλαδή, ένα πολύ φτωχό μέταλλο. Η συστροφή, ωστόσο, αλλάζει δραστικά τις ιδιότητες του διπλού στρώματος γραφενίου, μετατρέποντάς το πρώτα σε ένα σχετικά υποφερτό μέταλλο, και στη συνέχεια, με την εισαγωγή μεγαλύτερου ηλεκτρικού πεδίου, είτε σε υπεραγωγό, είτε σε μονωτή. Το συγκεκριμένο υλικό αποδίδει συνεχώς συναρπαστικά αποτελέσματα αναφορικά με τις πιθανές δυνατότητές του όταν συστρέφεται σε αυτό που ονομάζεται ‘μαγική γωνία’, δηλαδή περίπου 1,1 μοίρες. Το τελικό προϊόν μετά από αυτή τη συστροφή ονομάζεται συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας και παρουσιάζει μια πλήρη αναθεώρηση των αρχικών του ιδιοτήτων», περιγράφει ο Έλληνας επιστήμονας.
Σύμφωνα με τον ίδιο, η πρόκληση των επιστημόνων ήταν να καταγράψουν μια ακριβή και τρομακτικά άπιαστη συστροφή των δυο στρωμάτων, ακριβώς 1,1 μοιρών. «Είχαν υποψιαστεί ότι αυτή η ‘μαγική’ γωνία είχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας, με βάση κάποια θεωρητικά μοντέλα, αλλά κανείς δεν είχε προβλέψει ότι θα ήταν τόσο, μα τόσο πολύ ενδιαφέρουσα», σχολιάζει ο κ. Καξίρας.
Η φωτο δείχνει τα 2 πλέγματα του γραφενίου, και το moire pattern (τα βελάκια). Τα ανθρώπινα χερια έχουν σμικρυνθει κατά ένα 1 δισεκατομμύριο, για να είναι συγκρίσιμα με το μέγεθος του γραφενίου
Και η ιστορία του Τwistronics δεν σταματάει στα δύο στρώματα με συστροφή, αλλά επεκτείνεται και σε περισσότερα. Ο χειρισμός των γωνιών συστροφής σε πολυεπίπεδα δισδιάστατα υλικά, τα οποία σχηματίζουν στερεά πλέγματα που ονομάζονται moiré, προσφέρει τη δυνατότητα για παράδειγμα, να αποκαλυφθούν πολυάριθμα απροσδόκητα κβαντικά φαινόμενα.
Πολύ πρόσφατα, οι ερευνητές άρχισαν να δημιουργούν διατάξεις με τρία ή περισσότερα στρώματα, συστραμμένα το ένα σχετικά με το άλλο κατά συγκεκριμένες γωνίες. Αυτό αποδεικνύεται πολύ πιο απαιτητικό συγκριτικά με τα δυο στρώματα όπου η μοναδική δυσκολία είναι ο προσδιορισμός μόνο μιας ‘μαγικής’ γωνίας. Στα τρία στρώματα συνεστραμμένου γραφενίου έχει παρατηρηθεί ήδη υπεραγωγιμότητα με πολύ καλύτερη συμπεριφορά για συγκεκριμένες γωνίες συστροφής από ό,τι στα δυο. Το ερώτημα που προκύπτει ωστόσο είναι τι θα γίνει με περισσότερα στρώματα: « Όσο περισσότερα τα στρώματα, τόσο πιο δύσκολο να βρεθεί ο ‘μαγικός’ συνδυασμός των γωνιών συστροφής που θα δώσει την πιο ενδιαφέρουσα συμπεριφορά. Παρόλα αυτά, οι ερευνητές δεν πτοούνται. Η ομάδα μας, αλλά και πολλές άλλες ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο, άρχισαν πρόσφατα να χρησιμοποιούν και μεθόδους Τεχνητής Νοημοσύνης για να λύσουν αυτό τον γρίφο».
Γιατί μας νοιάζει το Twistronics;
Το Twistronics άνοιξε την πόρτα σε ένα εντελώς νέο πεδίο μελέτης στο οποίο οι ιδιότητες των υλικών μπορούν να αλλάξουν απλώς περιστρέφοντας τις στιβάδες τους. Ο τομέας του Twistronics υπόσχεται πληθώρα επιστημονικών ανακαλύψεων και μετασχηματιστικών εφαρμογών. Ο χειρισμός των γωνιών συστροφής σε πολυεπίπεδα δισδιάστατα (2D) υλικά που σχηματίζουν πλέγματα moiré και οι νέες συμπεριφορές που συχνά δεν σχετίζονται άμεσα με τις θεμελιώδεις ιδιότητες των μητρικών δισδιάστατων κρυστάλλων προσφέρουν ένα εύρος νέας γνώσης που είναι τεράστιο και απρόβλεπτο.
Η παρατήρηση της υπεραγωγιμότητας έχει εξελιχθεί σε μια απροσδόκητη «παιδική χαρά» για τους φυσικούς. Οι πρακτικοί στόχοι είναι προφανείς: να φωτίσει μια πορεία προς την υπεραγωγιμότητα υψηλότερης θερμοκρασίας, να εμπνεύσει νέους τύπους συσκευών που θα μπορούσαν να φέρουν ‘επανάσταση’ στα ηλεκτρονικά ή ίσως ακόμη και να επιταχύνουν την άφιξη των κβαντικών υπολογιστών. Αλλά πιο διακριτικά, και ίσως πιο σημαντικό, η ανακάλυψη έδωσε στους επιστήμονες μια σχετικά απλή πλατφόρμα για την εξερεύνηση των εξωτικών κβαντικών επιδράσεων.
«Τα υλικά που χειραγωγούνται μέσω του Twistronics μας οδηγούν σε ένα βήμα προς την “επανάσταση” της νανοτεχνολογίας. Τρένα με μαγνητική ανύψωση (magnetic levitation) και αισθητήρες, αλλά και ιατρικά απεικονιστικά μηχανήματα υψηλής ακρίβειας μπορεί να γίνουν καθημερινότητα με την χρήση υπεραγωγών θερμοκρασίας δωματίου (που είναι το επίκεντρο πολλών ερευνητών), οι οποίοι ούτε παράγουν θερμότητα ούτε υφίστανται οποιαδήποτε μορφή απώλειας ενέργειας», αναφέρει ενδεικτικά ο καθηγητής.
Σε ένα πιο προσγειωμένο επίπεδο, τα ενεργειακά δίκτυα που εκτείνονται σε όλες τις χώρες μπορούν να λειτουργούν πιο ομαλά, χωρίς να χάνουν πλέον περίπου το 6% της ενέργειάς τους μέσω της διασποράς θερμότητας. Και σε ένα ατομικό επίπεδο, τα τσιπ υπολογιστών θα φτάσουν μια μέρα σε πολύ υψηλές ταχύτητες, κάνοντας όλες τις κινήσεις μας στον υπολογιστή αστραπιαίες.
«Τα δισδιάστατα υλικά, και ιδίως αυτά που βασίζονται στον σχεδιασμό με Twistronics, προσφέρουν και ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα. Ακόμα και αν δεν καταφέρουμε να δημιουργήσουμε υπεραγωγούς θερμοκρασίας δωματίου, η χρήση τους σε τσιπάκια υπό συμβατικές (μη υπεραγώγιμες) συνθήκες καταναλώνει πολύ μικρότερη ενέργεια από τσιπάκια βασισμένα σε κλασσικά τρισδιάστατα υλικά όπως το πυρίτιο, επειδή ακριβώς λειτουργούν στο όριο του πιο λεπτού πάχους που είναι δυνατόν. Για αυτό τον λόγο και μόνο είναι ιδιαίτερα σημαντική η έρευνα για την τελειοποίηση των ηλεκτρονικών συσκευών με βάση το Twistronics, μιας και πάνω από το 10% της ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο καταναλώνεται στη χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών που βαίνει συνεχώς αυξανόμενη», συμπληρώνει ο κ. Καξίρας, σύμφωνα με τον οποίο, πολλά πράγματα ανακαλύπτονται μέσω του Twistronic που φτάνουν μέσα και έξω από το κβαντικό επίπεδο και που μια μέρα θα δημιουργήσουν το μέλλον που σήμερα είναι αποκύημα επιστημονικής φαντασίας.
credits: Harvard University
Επί του παρόντος, το Twisttronics αναμένεται μια μέρα να κάνει πραγματικότητα αυτό που μόλις θεωρητικοποιήθηκε. Όσο για το έργο του πρωτεργάτη της ανακάλυψης υπεραγωγιμότητας στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας, καθηγητή Pablo Jarillo-Herrero του ΜΙΤ, και των υπόλοιπων ερευνητών που συνέβαλλαν στην ανακάλυψη των ‘μαγικών’ ιδιοτήτων του, έχει κάνει την επιστημονική κοινότητα να μιλά πλέον ανοιχτά για ένα πιθανό βραβείο Νόμπελ!
Λίγα λόγια για τον καθηγητή Ευθύμιο Καξίρα
Ο Ευθύμιος Καξίρας σπούδασε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης όπου έλαβε διδακτορικό στη θεωρητική φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Από το 1991 διδάσκει στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, διατελώντας και Πρόεδρος του Τμήματος Φυσικής στο ίδιο πανεπιστήμιο (2020-2023). Κατέχει πολλές διακρίσεις, όπως Διακεκριμένο Μέλος (Fellow) της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας και Chartered Physicist και Fellow of the Institute of Physics (Ηνωμένο Βασίλειο). Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα θεμάτων στη φυσική στερεών και ρευστών και η ομάδα του έχει αναπτύξει πρωτότυπες μεθόδους για ρεαλιστική μοντελοποίηση υλικών χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις πολλαπλής κλίμακας και μεθόδους Μηχανικής Μάθησης για την πρόβλεψη και την αποσαφήνιση των ιδιοτήτων τους. Μια πρόσφατη σημαντική συνεισφορά του είναι η ανάπτυξη του πεδίου “Twistronics”.
Αξίζει να σημειωθεί ότι ο καθηγητής μαζί με τον Καθηγητή Υπολογιστικής Επιστήμης, Πρόεδρο του Τμήματος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Διευθυντή του Ινστιτούτου Εφαρμοσμένης Υπολογιστικής του Χάρβαρντ, κ. Πέτρο Κουμουτσάκο, το 2021 πρωτοστάτησαν στην ίδρυση του Ελληνικού Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών (Hellenic Institute of Advanced Study / HIAS) που έχει ως στόχο να δημιουργήσει γέφυρες εμπειρίας και γνώσης με την πατρίδα, να εμπνεύσει και να στηρίξει νέους επιστήμονες και να συνεισφέρει στο brain gain. Οι επιστήμονες του HIAS σχηματίζουν «επιτροπές σοφών» για να προτείνουν λύσεις σε διάφορα προβλήματα από όποιον τους ζητηθεί (κυβέρνηση, ακαδημαϊκά ιδρύματα, βιομηχανία).
{https://www.youtube.com/watch?v=yuwuyzHhrho}
