חידושים ברמת האטום: ההימור הגדול של רייס על חומרים דו-ממדיים מתקדמים

בוריס יעקובסון מאוניברסיטת רייס קיבל למעלה מ-4 מיליון דולר במימון פדרלי לקידום מחקר על חומרים דו-ממדיים, ממשקים בחומרים מרוכבים ותהליכים כימיים ללא שיווי משקל.

עבודתו שואפת לפתח שיטות ייצור טובות יותר, להבין התנהגות חומרים בתנאים קיצוניים ולחקור סינתזת חומרים חדשה ליישומים בטכנולוגיות אנרגיה והגנה.

מחקר חומרים מתקדמים באוניברסיטת רייס

חומרים מתקדמים הם נקודה חשובה של חדשנות עבור תחומים קריטיים לביטחון הלאומי כמו אנרגיה, הגנה, אווירונאוטיקה וטכנולוגיות תעופה וחלל. מדען החומרים של אוניברסיטת רייס בוריס יעקובסון זכה בשלושה פרסים משתי סוכנויות פדרליות בסכום כולל של 4,140,611 דולר במשך מספר שנים כדי לחקור היבטים מאתגרים של ייצור, ביצועים ודינמיקה של חומרים מתקדמים.

הפרסים מייצגים את רייס כאתר רלוונטי לאומי למחקר מדעי החומרים. יעקובסון אמר שהוא מקווה שהפרויקטים, שמתבססים על עבודה קודמת, "יובילו לתגליות שבאמת משנות את האופן שבו אנו מבינים, מייצרים ועובדים עם חומרים מתקדמים".

בחינת טכניקות ייצור לחומרים דו מימדיים

פרויקט שכותרתו "מיפוי המסלולים הסינתטיים לחומרים דו מימדיים" נועד לפרום את המנגנונים המולקולריים שיאפשרו ייצור של חומרים דו מימדיים לשימוש בשבבים ובאלקטרוניקה עתידית בקנה מידה ובאיכות תעשייתית.

חומרים דו מימדיים הופקו לראשונה באמצעות פילינג, או על ידי "קילוף" אָטוֹם-שכבות דקות מקריסטל תלת מימדי ⎯ או בתפזורת ⎯, אך שיטת ייצור זו אינה מעשית להגדלה. שיטות ייצור המבוססות על סינתזה כימית מסתמכות על הבנה ובקרה מדויקת של תגובות כימיות וכתוצאה מכך לצמיחת שכבות גבישים. לעתים קרובות, שיטות ייצור כרוכות בהפיכת החומר ממוצק לאדים ובחזרה לצורה מוצקה.

תפקידה של דינמיקה קוונטית בסינתזת חומרים

"תגובות מוצק-אדים-מוצק הן רבות ואינן מובנות, ופריצות דרך מדעיות במספר דוגמאות מפתח חייבות לסלול את הדרך למדע חדש בצומת הדרכים של קינטיקה של תגובה בשלבי גז, פיזיקת משטח אי-שיווי משקל ומבנה גבישי מתעורר", אמר יעקובסון, אשר אמר שהוא מתכנן להשתמש בשיטות חישוביות כדי לחקור דינמיקה מולקולרית ראשונית ברמה הקוונטית על מנת לזהות את הטרנספורמציות העיקריות המובילות ממבשרים גולמיים לבינוניים מִין ובסופו של דבר לבניית יחידות שמתכנסות לשכבת הקריסטל של המטרה.

"אנו מנסים לענות על שאלות כגון האם נוכל להאיץ את צמיחת הגבישים על ידי הוספת רכיבים נוספים מבלי לפגוע באיכות המוצר שלנו, או כיצד נוכל ליצור סוגי פגמים רצויים בחומר שנוצר, שנוכל להשתמש בהם כנשאים נוכחיים, מרכזים קטליטיים או יחיד-פוטון פולטים עבור קיוביטים במחשב קוונטי", אמר יעקובסון.

כיוונים אסטרטגיים בחקר סינתזת חומרים

בהתבסס על עבודות קודמות על כמה חומרים איקוניים דו-ממדיים כגון גרפןמוליבדן דיסולפיד ובור ניטריד משושה, קבוצת המחקר של Yakobson שואפת לבסס גישה כללית לפיתוח מודלים של סינתזה חזויה עבור פרוסקיטים, ניטרידים, תחמוצות וחומרים אחרים הנחשקים ליישומי אנרגיה ואלקטרוניקה.

"אנו גם שואפים להפוך את החיפוש אחר נתיבי תגובה לאוטומטיים שיאפשרו לנו לסנתז חומרים חדשים שלא ידועים בעבר או לפשט את הייצור של חומרים כמו בורופןאשר דורשות כעת טכניקות יקרות או אזוטריות", אמר יעקובסון, שהעבודה המוצעת שלו על חומרים דו-ממדיים תתמוך ב-2,107,997 דולר במשך מספר שנים ממשרד האנרגיה האמריקני.

התקדמות בממשקי חומרים מרוכבים

קבוצת יעקובסון זכתה גם בסכום כולל של 2,032,614 דולר במהלך ארבע השנים הבאות ממשרד ההגנה האמריקני עבור שני פרויקטים – האחד מסתכל על ממשקים בחומרים מרוכבים ואחר על התנהגות חומרים אנרגטיים במצבי חוסר שיווי משקל קיצוניים.

"אחד הפרויקטים האלה בוחן את הפרטים ברמה האטומית או המולקולרית של האופן שבו ממשקים – קווי הגבול בין מיקרו-רכיבים במוצק מעורב – מגיבים לעומס קיצוני", אמר יעקובסון.

ממשקים משפיעים על הביצועים הכוללים של חומרים מרוכבים, ומאפיינים כגון חוזק מכני, קשיחות, התנגדות חשמלית ויציבות תרמית וקורוזיה הם בעלי חשיבות קריטית הן בתשתיות האזרחיות והן בתשתיות הביטחוניות וביישומים, מגשרים ומסילות ברזל ועד צוללות וכלי תעופה על-קוליים.

"אנו מתכננים להשתמש בחישובי כימיה קוונטית מתקדמים כדי לבחון ממשקים הטרוגניים על מנת לקבוע כיצד חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים מתנהגים בתנאים קיצוניים וכיצד נוכל לשפר את העיצוב שלהם", אמר יעקובסון.

אתגרים וחידושים בתהליכים כימיים ללא שיווי משקל

הפרויקט השני בחסות DOD יתמקד בפיתוח דרכים לכמת את שיעורי התגובות הכימיות ותהליכים אחרים המתרחשים במערכות מורכבות במצבים רחוקים משיווי משקל כימי.

"מערכות שרחוקות משיווי משקל תרמודינמי יציגו שינויים מרחביים או שיפועים משמעותיים מבחינת צפיפות אנרגיה, הרכב כימי ועוד, מה שמקשה על קביעת המהירויות של תהליכים", אמר יעקובסון. "חשוב מאוד לדעת, במיוחד עבור חומרים אנרגטיים, שהם מחלקה רחבה של חומרים האוגרים כמות גדולה של אנרגיה כימית."

דוגמאות לחומרים אנרגטיים כוללים חומרי נפץ, דלקים וחומרי הנעה. בהסתמך על תובנות מכימיה של מצב מוצק, יעקובסון מבקש "לעשות חיל" במחסור היחסי של הידע על האופן שבו תגובות מתווכות מתח וההטרוגניות המרחבית של מערכות לא שיווי משקל מתרחשות בתהליכי גז ונוזל.

מסקנה ותחזית עתידית

"רתימת טכנולוגיה חישובית מודרנית תהיה בעלת ערך רב עבור הפרויקט הזה", אמר יעקובסון. "אנו מקווים להתקדם ממדע כמעט שיווי משקל הפועל עם, נניח, שיפוע טמפרטורה לדינמיקה מודרנית של פונונים, ויברונים, אקציונים… והצימוד שלהם כמערכת הכלים החדשה לתיאור משחק האנרגיה הרחק משיווי משקל."

התוכן בהודעה לעיתונות זו הוא באחריות הכותבים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של המממנים.