پس از جداسازی گرافن از کریستال‌های گرافیت، مواد متنوعی به نازکی اتم از مواد جامد توده‌ای با ساختارهای درونی لایه‌ای استخراج شد. این مواد دوبعدی ویژگی‌های فیزیکی خارق العاده‌ای از خود نشان دادند که برای کاربردهای روزافزون الکترونیکی، فتونیکی، تبدیل و ذخیره‌‌سازی انرژی و فناوری‌های زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هرچند پدیده‌های ذاتی مشاهده شده در مواد دوبعدی می‌توانند از طریق فاکتورهای خارجی (برای مثال کرنش، دوپینگ، زیرلایه، محیط و عامل‌دار کردن شیمیایی) تا حدی اصلاح شوند، مهمترین فاکتور در تعیین ویژگی‌های مادی آن‌ها ـ ساختار اتمی صفحه‌ای ـ لزوما ثابت است. رشد مواد دوبعدی کاملا سنتز شده فرصتهای فراوانی برای مواد مهندسی شده با رفتارهای جدید و خاص ارائه می‌دهد.
علیرغلم این پتانسیل مهم، کشف و سنتز ساختارهای اتمی جدید با ویژگی‌های از پیش تعیین شده، همچنان ازجمله غیرقابل‌کنترل‌ترین چالش‌ها برای شاخه‌ی مهندسی مواد به شمار می رود. به‌ویژه برای مواد سنتزی دو بعدی، چندین فاکتور از جمله عنصر‌های اصلی، زیرلایه‌ی رشد و شرایط فرآیند در تعیین ساختار اتمی حاصل، نقش مهم و اغلب رقابتی ایفا می‌کنند. تا چندی پیش، بررسی تعداد قابل توجهی از مدل‌های ساختاری به روش تحلیلی ممکن نبود، اما پیشرفت‌ها در تئوری علوم محاسباتی مواد، الگوریتم‌ها و سخت‌افزار کامپیوتر، موجب شده است که مطالعه‌ی سیستم‌های پیچیده از جمله پیش‌بینی ساختار و ویژگی زیرلایه-رولایه ممکن گردد. در بخش آزمایشگاهی، دانش ساخت سطوح با کیفیت بالا و ابزارهای سنتز با خلاء بسیار بالا، مسیر را برای آزمایش پیش‌بینی‌های نظری با دقت اتمی و تحت شرایط ایده‌آل فراهم کرده، توسعه‌ی تکرارپذیر تجربی و نظری را ممکن می‌سازد.
به دنبال این رویکرد، طیفی از مواد دوبعدی سنتزی در سال‌های اخیر به‌دست آمده‌اند (برای مثال سیلیسین، جرمانین، استانین، آنتیمونین، بیسموتین و تلورین). هرچند مطالعه‌ی این مواد همچنان در مراحل ابتدایی است اما پیش‌بینی‌ها و اندازه‌گیری‌های اولیه‌ی ویژگی‌های آن‌ها، تایید می‌کند که این مواد مکمل مواد دوبعدی سنتی (لایه‌های تولید شده از بالک) هستند. در میان این مواد، بروفن چند ویژگی منحصربفرد دارد که در شکل 1 نشان داده شده است. برای مثال، بروفن خانواده‌ای از ساختارهایی با ناهمسانگردی و پلی‌مورفیسم از خود نشان می‌دهد، بنابراین تنظیم‌پذیری ویژگی بالایی دارد. به‌طورکلی، این ساختارها چندین رفتار معمول از خود نشان می‌دهند. جالب‌توجه است که انتظار می‌رود بروفن در بیشتر مدل‌های ساختاری‌اش، رفتار فلزی داشته باشد، لذا به‌عنوان سبک‌ترین فلز دوبعدی توصیف می‌شود (در مقابل شبه‌فلزاتی چون گرافن و سیلیسین یا نیمه‌رسانا‌هایی مانند فسفرین) ؛ همچنین چکش‌خواری مکانیکی و شفافیت نوری نیز از خود بروز می‌دهد. این ترکیب ویژگی‌ها در فهرست مواد دوبعدی سنتی یا سنتزی دیده نمی‌شود. ابررسانایی حرارتی نسبتا بالا نیز از بروفن انتظار می‌رود. علاوه‌براین، پیش‌بینی‌های نظری درباره‌ی امکان‌پذیرترین "مدل‌های ساختاری زیرلایه-پیوند[1]"، پیش از هرگونه شواهد تجربی برای بروفن وجود داشته است. بنابراین وجود این مدل‌ها اثبات می‌کند که مدل‌های محاسباتی تا جایی توسعه یافته‌اند که می‌توانند به‌طور موثر تلاش‌های تجربی سنتزی را هدایت کنند. به این لحاظ، بروفن به‌عنوان نمونه اولیه برای پیش‌بینی و کشف مواد دوبعدی سنتزی جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سنتز آزمایشی و ویژگی‌های اندازه‌گیری شده
تا سال 2015، نه‌تنها زیرلایه‌های فلزی خاص برای رشد بروفن، بلکه شبکه‌بندی که بایستی صورت دهد نیز به صورت نظری پیش‌بینی شده بود. شواهد آزمایشگاهی برای سنتز بروفن را مانیکس و همکارانش و فِنگ و همکارانش در دو پژوهش مستقل ارائه کردند، هردوی این پژوهش‌ها فرآیند رشد را در شرایط خلاء فوق بالا انجام دادند تا از تخریب صفحات بروفن به واسطۀ آلودگی جلوگیری شود. از نقره‌ی تمیز به‌عنوان زیرلایه‌ی رشد استفاده شد و بور به‌وسیله‌ی‌ی تبخیر پرتوی کاتدی از منبع عنصری کاملا خالص و با دوز بسیار کنترل شده لایه‌نشانی شد.
از نظر آزمایشگاهی، با اینکه چندین رفتار بروفن اندازه‌گیری شده، اما ویژگی‌های فیزیکی آن حوزه‌ی فعال پژوهشی باقی‌مانده است. برای مثال، با استفاده از اسپکتروسکوپی تونلی و اسپکتروسکوپی نشر نوری مشخص شد بروفن خصوصیت الکترونی فلزی دارد. این اندازه‌گیری‌ها با بسیاری از پیش‌بینی‌های نظری برای صفحات بروفن که چگالی محدود حالت‌ها در سطح فِرمی را پیش‌بینی می‌کند، مطابق هستند، و نشان می‌دهد که بروفن سبک‌ترین فلز است. از نظر شیمیایی، مشاهده شده زمانیکه بروفن در معرض هوا قرار می‌گیرد اکسید می‌شود، اما اکسایش در شرایط خلاء بسیار بالا سرکوب می‌شود. ماهیت این تخریب نامشخص است و امکان دارد مانند آنچه در فیلم‌های نازک بور اتفاق می‌افتد، اکسایش با دیگر گونه‌های اتمسفری (مانند H2O) تسریع شود.
مسیرها و چشم‌اندازهای پژوهش‌های آینده
برخلاف تعداد درحال رشد پیش‌بینی‌های نظری مربوط به اثرات کاهش بُعد و ناهمسانگردی بر فلزینگی و قدرت مکانیکی، بسیاری از ویژگی‌های اساسی بروفن هنوز اندازه‌گیری نشده است. به‌علاوه پیش‌بینی می‌شود بروفن، به‌عنوان فلز دوبعدی نازک به لحاظ اتمی، در میان بهترین کاندیداها برای کاربردهای الکترودهای شفاف نوری باشد. با توجه به ماهیت منحصربفرد پیوندهای بور-بور، بروفن نویدبخش ویژگی‌های مکانیکی عالی، از جمله بالاترین مقاومت صفحه‌ای و استحکامی قابل مقایسه با گرافن است. به‌علاوه، به جای شکستن مستقیم همچون مواد دوبعدی دیگر، پیش‌بینی می‌شود با اعمال تنش در بروفن، تبدیل ساختار فازی رخ می‌دهد، و باعث سختی مکانیکی بالای آن می‌شود. سفتی همراه با وزن اتمی سبک به سرعت بالای فونون می‌انجامد و نشان دهنده‌ی انتقال حرارت کارامد است که حتی با هم‌بخشی الکترونی بیشتر نیز می‌شود. تمام این ویژگی‌ها تا به اینجا با ناهمسانگردی و پلی‌مورفیزم در سنتز بروفن پدید آمده و کنترل شده است. بنابراین، می‌توان این ویژگی‌ها را با اعمال زیرلایه‌های رشد متفاوت که ساختار نهایی را اصلاح می‌کنند کنترل کرد.
درک و کنترل این ویژگی‌ها نیاز به پیشرفت در کیفیت سنتز بروفن دارد. به‌طور خاص برای مطالعه‌ی این ویژگی‌ها در شرایط طبیعی (یعنی بدون اثرات محدود سطحی) ، خوب است اندازه‌ی دانه‌ی بروفن را افزایش و چگالی عیوب و نابه‌جایی را کاهش دهیم.. دیگر هدف مهم سنتز،شناسایی زیرلایه‌های رشد غیرفلزی است که بسیاری از اندازه‌گیری‌های خواص بروفن از جمله مشخصه‌ی انتقال بار سطحی را آسان می‌کند. درک بیشتر ماهیت پلی‌مورفیسم سنتز بروفن می‌تواند به کنترل قطعی بر سوپرساختارهای خلاء بیانجامد که ویژگی‌های موردنظر را بهینه می‌کند. به‌علاوه سازوکار تشکیل نانوروبان‌های بروفنی و خواص مواد حاصل این نانوروبان‌ها تاکنون با جزئیات مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند.
انتقال بروفن از زیرلایه‌ی نقره به زیرلایه‌ی عایق الکتریکی گام مهمی برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی و بدین گونه اندازه‌گیری قطعی ویژگی‌های الکترونیکی بروفن است. مانع اصلی برای تحقق فرآیند انتقال غیر اغتشاشی، واکنش‌پذیری شیمیایی بروفن است که آلودگی قابل توجه و یا چالش‌های تخریب در انتقال مبتنی بر انحلال معمولی ایجاد می‌کند. یک راه‌حل ممکن تکرار کپسول‌سازی و روش انتقالی است که در ساخت سیلیسین اعمال شده است. رفتار برگشت‌پذیر جانشینی و بین نشینی گونه‌های شیمیایی می‌تواند با افزایش میل ترکیبی نقره، به این فرایند انتقال کمک کند و درعین‌حال واکنش‌پذیری کمی با بروفن داشته باشند. چشم‌انداز پیشتر ذکر شده در زمینه‌ی رشد روی زیرلایه‌ی عایق که ویژگی‌های بروفن را می‌توان بدون دخالت مطالعه و استفاده کرد، می‌تواند نیاز به طرح انتقال را رفع کند. با این‌حال مسیر دیگری نیز می‌تواند با غیرفعال‌سازی بروفن از طریق عامل‌دار کردن شیمیایی ارائه شود. با اینکه ممکن است اصلاح سطح کووالانسی ویژگی‌های بروفن را تغییر دهد، این تغییرات می‌توانند سودمند باشند.
در این مراحل آغازین، بروفن در چندین کاربرد متفاوت، از خود قابلیت‌های بالقوه نشان داده است. با پیوند بیشتر انعطاف‌پذیری خمشی و کشسانی مکانیکی بروفن با الاستیسیته‌ی صفحه‌ای عالی و فلزینگی ذاتی، بروفن می‌تواند انتخاب ایده‌آلی برای اتصالات، الکترودها و نمایشگرهای الکترونیکی شفاف و انعطاف‌پذیر باشد. مشخصه‌یابی بیشتر بروفن به احتمال زیاد از فرصتهای بیشتری برای پیشرفت فناوری پرده برمی‌دارد، ویژگی‌هایی از جمله ابررسانایی نیز می‌توانند درون هتروساختارهای لایه لایه مشاهده شوند تا دستگاهی منحصربفرد شامل تمام جانکشن‌های جوزفسون یا دستگاه ابررسانای تداخل کوانتومی را تشکیل دهند. به‌طور مشابه ویژگی‌های پلاسمونی بروفن را می‌توان با ترکیب در هتروساختارهای لایه‌ای عمودی کنترل کرد. تعدادی از پیش‌بینی‌های اخیر نشان داده‌اند که بروفن برای ذخیره‌ی هیدروژن و کاربری باتری ماده‌ای موثر است، اما این فناوری‌ها نیاز به افزایش چشم‌گیر حجم سنتز بروفن دارد.
درحالیکه بروفن نشان داده است که تأثیر بلند مدتی بر علم بنیادی و فناوری کاربردی دارد، به‌طورکلی در زمینه‌ی طراحی مواد حائز اهمیت است. این حقیقت که سنتز آزمایشگاهی بروفن طرح نظری پیشین را دنبال می‌کند، قدرت پیشگویی علم مدرن محاسباتی مواد را تصدیق می‌کند و نشان می‌دهد که کشف‌های آزمایشگاهی بعد از این را می‌توان با پیش‌بینی‌های نظری پایه‌ریزی کرد. به‌طور گسترده‌تر، دیدگاه‌ها و درس‌هایی که از بروفن گرفته شده، مسیرهایی برای طراحی قاطع دیگر مواد دو بعدی سنتز شده را نشان می‌دهد، از این رو فضای فاز ساختاری را به‌طور اساسی توسعه می‌دهد و بنابراین ویژگی‌ها و کاربردهای بالقوه مواد به نازکی اتم را گسترش می‌دهد.
تحقق آزمایشگاهی پلی‌مورف‌های سنتز شده‌ی بور فرصتهای جدیدی فراهم می‌کند. روشن است توانایی اصلاح ویژگی‌های فلزات نازک در حد اتم با اصلاح ناهمسانگردی ساختاری و ابرساختارهای پلی‌مورف توخالی نویدبخش پیشرفت‌های بنیادین و فناوری است. علاوه‌براین، پیشرفت‌های آزمایشگاهی بر اساس بنیاد نظری با قدرت تبدیلِ قابل‌توجه هستند. سازش بزرگ میان نظریه‌ی پیشین و مشاهدات آزمایشگاهی بروفن به آینده‌ای اشاره می‌کند که نظریه، آزمایش را به سوی سنتز موادی با ویژگی‌های بهینه یا رفتارهای منحصربفرد هدایت می‌کند. از آنجاییکه توانایی‌ها مبنی بر ترکیب مواد به نازکی اتم برای تولید ساختارهای پیچیده به‌طور روز افزون رضایت‌بخش است، این مجموعه ابزار قابلیت مهندسی موادِ در حد اتم با ویژگی‌های متفاوت از مواد توده‌ای طبیعی را افزایش می‌دهد.
این مقاله به‌صورت خلاصه‌شده در اختیار شما قرار گرفته است، در صورت علاقه‌مندی برای مطالعه متن کامل به سایت مراجعه نمایید.
منبع
Mannix, A. J., Zhang, Z., Guisinger, N. P., Yakobson, B. I., & Hersam, M. C. (2018). Borophene as a prototype for synthetic 2D materials development. Nature Nanotechnology, 13 (6), 444–450.