Malzemeleri veya kimyasal bileşikleri her zamankinden daha hızlı, daha ucuz ve daha az adımla üreten endüstriyel süreçleri hayal edin. Dizüstü bilgisayarınızda bilgileri dakikalar yerine saniyeler içinde işlediğinizi veya insan beyni kadar verimli bir şekilde öğrenip uyum sağlayan bir süper bilgisayar hayal edin. Bu olasılıkların hepsi aynı şeye dayanıyor: Elektronların madde içinde nasıl etkileştiği.
Auburn Üniversitesi bilim adamlarından oluşan bir ekip, bilim adamlarına bu küçük parçacıklar üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sağlayan yeni bir malzeme sınıfı tasarladı. Çalışmaları, şu dergide yayınlandı: ACS Malzemeleri Mektuplarıelektronların atomlara kilitlenmediği, bunun yerine açık alanlarda serbestçe yüzdüğü, solvatlanmış elektron öncüleri olarak bilinen izole edilmiş metal moleküler kompleksler arasındaki ayarlanabilir eşleşmeyi tanıtıyor.
Enerji aktarımı, bağlanma ve iletkenlikteki anahtar rollerinden dolayı elektronlar, kimyasal sentezin ve modern teknolojinin can damarıdır. Kimyasal işlemlerde elektronlar redoks reaksiyonlarını yönlendirir, bağ oluşumunu sağlar ve katalizde kritik öneme sahiptir. Teknolojik uygulamalarda, elektronlar arasındaki akışın ve etkileşimlerin manipüle edilmesi, elektronik cihazların, yapay zeka algoritmalarının, fotovoltaik uygulamaların ve hatta kuantum hesaplamanın çalışmasını belirler. Çoğu malzemede elektronlar atomlara sıkı bir şekilde bağlıdır ve bu da onların nasıl kullanılabileceğini sınırlar. Ancak elektridlerde elektronlar serbestçe dolaşarak tamamen yeni olasılıklar yaratıyor.
Auburn Kimya Doçenti ve son teknoloji hesaplamalı açıklamalara dayanan çalışmanın kıdemli yazarı Dr. Evangelos Miliordos, “Bu serbest elektronları nasıl kontrol edeceğimizi öğrenerek, doğanın asla amaçlamadığı şeyleri yapan malzemeler tasarlayabiliriz” diyor.
Auburn ekibi, çalışmalarında, özel molekülleri (solvatlanmış elektron öncüleri) elmas ve silisyum karbür gibi sabit yüzeylere sabitleyerek Yüzey Hareketsizleştirilmiş Elektritler olarak adlandırılan yeni malzeme yapıları önerdi. Bu tasarım, elektridlerin elektronik özelliklerini sağlam ve ayarlanabilir hale getirir. Moleküllerin nasıl düzenlendiğine bağlı olarak elektronlar, gelişmiş hesaplama için kuantum bitleri gibi davranan izole “adalar” veya karmaşık kimyasal reaksiyonları yönlendiren genişletilmiş metalik “denizler” oluşturabilir.
Keşfi bu kadar güçlü kılan da bu esnekliktir. Tek bir konfigürasyon, günümüzün en iyi süper bilgisayarları için imkansız olan sorunları çözmeyi vaat eden makineler olan kuantum bilgisayarların oluşturulmasına yardımcı olabilir. Bir diğeri, yakıtları, ilaçları veya endüstriyel ürünleri üretme şeklimizi değiştirebilecek şekilde kimyasal reaksiyonları hızlandıran yeni nesil katalizörlerin, yani malzemelerin temelini oluşturabilir.
Auburn Fizik Profesörü Dr. Marcelo Kuroda, “Toplumumuz mevcut teknolojinin sınırlarını zorladıkça, yeni tür malzemelere olan talep de artıyor” diyor. “Çalışmamız, hem maddedeki etkileşimler hem de pratik uygulamalar hakkında temel araştırmalar için fırsatlar sunan materyallere yönelik yeni bir yol gösteriyor.”
Elektrotların önceki versiyonları kararsızdı ve ölçeklendirilmesi zordu. Auburn ekibi bunları doğrudan katı yüzeylere yerleştirerek bu engellerin üstesinden geldi ve teorik modellerden gerçek dünya cihazlarına geçebilecek bir malzeme yapıları ailesi önerdi.
Auburn Malzeme Mühendisliği Yardımcı Doçenti Dr. Konstantin Klyukin, “Bu temel bir bilimdir, ancak çok gerçek sonuçları vardır” diyor. “Hesaplama ve üretim şeklimizi değiştirebilecek teknolojilerden bahsediyoruz.”
Teorik çalışma Auburn Üniversitesi’ndeki kimya, fizik ve malzeme mühendisliği fakülteleri tarafından yürütüldü. Miliordos, “Bu sadece başlangıç” diye ekliyor. “Serbest elektronları nasıl evcilleştireceğimizi öğrenerek, daha hızlı bilgisayarların, daha akıllı makinelerin ve henüz hayalini bile kurmadığımız yeni teknolojilerin olduğu bir geleceği hayal edebiliriz.”
“Kuantum Hesaplama ve Kataliz Uygulamaları için Ayarlanabilir Elektron Delokalizasyonuna Sahip Elektridler” başlıklı çalışmanın yazarları da yüksek lisans öğrencileri Andrei Evdokimov ve Valentina Nesterova tarafından yazılmıştır.
