Σύνθεση, Χαρακτηρισμός και Εφαρμογές Δισδιάστατων Υλικών (Two-dimensional (2D) Materials) παρουσία Σιδηρομαγνητικών Στοιχείων – Συμμετοχή του ΤΕΠΑΚ σε άρθρο ανασκόπησης στο διεθνούς φήμης και υψηλής απήχησης επιστημονικό περιοδικό Advanced Functional Materials (IF~20)

Στα πλαίσια ερευνητικής συνεργασίας, δημοσιεύθηκε πρόσφατα άρθρο ανασκόπησης (Review Article) στο διεθνούς φήμης και υψηλής απήχησης επιστημονικό περιοδικό Advanced Functional Materials (IF~20) (Wiley-VCH GmbH, Weinheim) (open access). Για το άρθρο αυτό με τίτλο «Ferromagnetic Elements in Two-Dimensional Materials: 2D Magnets and Beyond» (Adv. Funct. Mater. 2023, 2309046), συνεργάστηκαν οι κος Αναστάσιος Παπαβασιλείου (Anastasios.Papavasileiou@vscht.cz), Δρ Στέφανος Μουρδικούδης (mourdikt@vscht.cz) και Dr Zdeněk Sofer (soferz@vscht.cz) από το University of Chemistry and Technology Prague στην Τσεχία, ο Dr Lakshminarayana Polavarapu (lakshmi@uvigo.es) από το Universidade de Vigo στην Ισπανία και η Δρ Μελίτα Μενελάου (melita.menelaou@cut.ac.cy) από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών (και τώρα Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών) του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Κύπρου. 

Το άρθρο που στο σύνολο του αριθμεί 36 σελίδες (articles pages in double-column text) αφορά την καταγραφή και ανασκόπηση επιστημονικών δεδομένων από περίπου 280 δημοσιευμένα άρθρα που ασχολούνται με την μελέτη δισδιάστατων υλικών – σύνθεση, ιδιότητες και εφαρμογές. Τα δισδιάστατα υλικά (2D υλικά) έγιναν ευρέως γνωστά μετά τη συστηματική μελέτη του γραφένιου  (graphene) που ξεκίνησε αρχικά το 2004 από το The University of Manchester στην Αγγλία. Οι ακαδημαϊκοί Κ. Νοβοσέλοφ και Α. Γκέιμ πήραν το Νόμπελ Φυσικής το 2010 ως αναγνώριση για τα «επαναστατικά τους πειράματα» σχετικά με το γραφένιο μιας και κατάφεραν να αποσπάσουν νιφάδες από γραφίτη που είχαν πάχος μόλις ένα μόριο. Τα δισδιάστατα υλικά συμπεριλαμβανομένου και του γραφενίου είναι κρυσταλλικές δομές επίπεδων λεπτών στρωμάτων με πάχος όσο το μέγεθος ενός ατόμου. Τα άτομα αυτά μπορούν να αναπτύξουν ισχυρούς αλλά και ασθενείς χημικούς δεσμούς μεταξύ τους στα επίπεδα στρώματα, ή μεταξύ των στρωμάτων. Επιπλέον, το σχήμα και η μεγάλη ειδική επιφάνεια των υλικών αυτών, τους επιτρέπει να έχουν ελκυστικές φυσικοχημικές ιδιότητες.

Στην επιστήμη των υλικών, η δισδιάστατη διαμόρφωση είναι μια ιδιαίτερα επιθυμητή μορφολογική διαμόρφωση. Οι θεωρίες που υποστήριζαν ότι η σιδηρομαγνητική διάταξη δεν θα μπορούσε να είναι μία από αυτές, διαψεύστηκαν και αναδείχθηκε ένα εντελώς νέο πεδίο μελέτης, αυτό του 2D σιδηρομαγνητισμού (2D Ferromagnetism). Η παρουσία ενός σιδηρομαγνητικού χημικού στοιχείου (ferromagnetic element) σε ένα 2D υλικό δηλαδή άνοιξε το δρόμο για την περαιτέρω αξιοποίηση των υλικών αυτών σε πολυλειτουργικές εφαρμογές όπως των σπιντρονικών (spintronics) όπου το πάχος των υλικών παίζει έναν κρίσιμο ρόλο στις σιδηρομαγνητικές ιδιότητες αλλά και στην πόλωση του σπιν.

Στην παρούσα δημοσίευση έγινε προσπάθεια καταγραφής και μελέτης πρόσφατων αλλά και λίγο παλαιότερων άρθρων, που αφορούν δισδιάστατα υλικά τα οποία φέρουν τουλάχιστον ένα σιδηρομαγνητικό στοιχείο όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Το στοιχείο αυτό μπορεί να είναι παρόν με διάφορους πιθανούς τρόπους: (α) ως δομικό συστατικό, (β) ως πρόσμιξη (dopant) και (γ) ως γειτονικό άτομο μέσω του φαινομένου εγγύτητας (proximity effect). Επιπλέον στο άρθρο αυτό γίνεται ενδελεχής μελέτη και καταγραφή των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών που έχουν αναφερθεί μέχρι τώρα, ενώ αναλύονται και οι επιπρόσθετες δυνατότητες που μπορούν να εμφανίσουν τα υλικά αυτά για το σχηματισμό των 2D μαγνητών της επόμενης γενιάς. Σημαντικό μέρος της δουλειάς που παρουσιάζεται αφορά και τη μελέτη της συμβολής αυτών των δισδιάστατων υλικών σε άλλες σύγχρονες εφαρμογές (πέραν δηλαδή του μαγνητισμού) όπως είναι οι ηλεκτροχημικές, φωτοχημικές, οπτικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές. Η συμβολή του γαδολινίου (gadolinium, Gd) αλλά και άλλων στοιχείων από τις σπάνιες γαίες (rare-earth elements) που εμφανίζουν σιδηρομαγνητική συμπεριφορά ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες αποτέλεσε επίσης ένα μέρος της παρούσας μελέτης. Τα χημικά αυτά στοιχεία ως φορείς ηλεκτρονίων από τα  4f τροχιακά μπορούν μέσα από κατάλληλα διαμορφωμένες συνθήκες να σχηματίσουν δισδιάστατα δομημένα υλικά με ιδιαίτερα ελκυστικές ιδιότητες.

Αναμφίβολα τα 2D υλικά επιφυλάσσουν ακόμη πολλές εκπλήξεις συνεισφέροντας σημαντικά στην ανακάλυψη και άλλων καινοτόμων αλλά και θεμελιωδών φαινομένων που θα μας βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση της ύλης και στη βαθύτερη κατανόηση περίπλοκων φυσικοχημικών και μαγνητικών φαινομένων και διεργασιών. Η συμβολή τους σε εφαρμογές που θα είναι χρήσιμες για τον ολοένα και πιο σύνθετο σύγχρονο τρόπο ζωής θα είναι πολύτιμη σε τομείς όπως είναι η ενέργεια και η προστασία του περιβάλλοντος. Με βάση αυτές τις προσδοκίες είναι ξεκάθαρο ότι το πεδίο έρευνας και ανάπτυξης 2D υλικών θα παραμείνει ιδιαίτερα δραστήριο σε ό,τι έχει να κάνει με ερευνητικές προσπάθειες από την επιστημονική κοινότητα σε παγκόσμιο πλαίσιο.

Η δημοσίευση συνοδεύεται επιπρόσθετα από την εμφάνιση του άρθρου στο εσωτερικό εξώφυλλο του επιστημονικού περιοδικού (Inside Front Cover) μετά από πρόσκληση. H εικονογράφηση για το εξώφυλλο έγινε σε συνεργασία με τον γραφίστα Γιάννη Τερζή (jeanterzis@gmail.com).

Το άρθρο είναι προσβάσιμο στον πιο κάτω σύνδεσμο:

Ferromagnetic Elements in Two-Dimensional Materials: 2D Magnets and Beyond

Για πληροφορίες σχετικά με τη δημοσίευση: 

Επίκουρη Καθηγήτρια Μελίτα Μενελάου |                                                  

+357 25 00 2308 | melita.menelaou@cut.ac.cy