Κβαντικοί κρύσταλλοι: Η επόμενη τεχνολογική επανάσταση;

Φανταστείτε ένα μέλλον όπου οι υπολογιστές εκτελούν περίπλοκους υπολογισμούς μέσα σε δευτερόλεπτα και τα εργοστάσια παράγουν καύσιμα, φάρμακα και υλικά με ελάχιστο κόστος και σπατάλη ενέργειας. Στο επίκεντρο αυτών των μελλοντικών δυνατοτήτων βρίσκεται κάτι φαινομενικά απλό αλλά θεμελιώδες: η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα στα υλικά.

Ερευνητές από το Auburn University φαίνεται πως έκαναν ένα καθοριστικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, δημιουργώντας μια νέα κατηγορία υλικών που επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό ACS Materials Letters, παρουσιάζει μια πρωτοποριακή δομή που οι επιστήμονες αποκαλούν Surface Immobilized Electrides. Πρόκειται για υλικά στα οποία τα ηλεκτρόνια δεν είναι δεσμευμένα από συγκεκριμένα άτομα αλλά κινούνται ελεύθερα σε ανοιχτούς χώρους μέσα στο πλέγμα του υλικού — κάτι που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τόσο την πληροφορική όσο και τη χημεία.

Τα ηλεκτρόνια αποτελούν τη ραχοκοκαλιά σχεδόν κάθε φυσικής ή τεχνολογικής διεργασίας: καθορίζουν τη ροή ενέργειας, τις χημικές αντιδράσεις και τη λειτουργία των ηλεκτρονικών συσκευών. Στα περισσότερα υλικά, όμως, η κίνησή τους είναι περιορισμένη. Τα electrides αποτελούν εξαίρεση: εκεί τα ηλεκτρόνια δεν «ανήκουν» σε συγκεκριμένα άτομα, αλλά κινούνται σαν ανεξάρτητες οντότητες, ανοίγοντας νέους δρόμους για τη δημιουργία «έξυπνων» υλικών.

«Αν καταφέρουμε να ελέγξουμε αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, μπορούμε να σχεδιάσουμε υλικά που κάνουν πράγματα που η φύση ποτέ δεν προόρισε να γίνουν», εξηγεί ο Dr. Ευάγγελος Μηλιόρδος, αναπληρωτής καθηγητής Χημείας στο Auburn και επικεφαλής της μελέτης. Η ερευνητική ομάδα του χρησιμοποίησε προχωρημένα υπολογιστικά μοντέλα για να μελετήσει πώς μόρια που ονομάζονται προδρόμοι διαλυμένων ηλεκτρονίων μπορούν να σταθεροποιηθούν πάνω σε επιφάνειες όπως το διαμάντι και το καρβίδιο του πυριτίου. Με αυτό τον τρόπο, δημιούργησαν μια νέα, σταθερή εκδοχή electrides που μπορεί να τροποποιηθεί ανάλογα με τις ανάγκες.

Το ενδιαφέρον είναι ότι, αλλάζοντας τη γεωμετρία των μορίων, οι επιστήμονες μπορούν να ελέγχουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων: σε ορισμένες περιπτώσεις, συγκεντρώνονται σε μικρές «νησίδες» που λειτουργούν σαν qubits — τις θεμελιώδεις μονάδες των κβαντικών υπολογιστών. Σε άλλες, απλώνονται σαν «ηλεκτρονικές θάλασσες» που επιταχύνουν πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις.

Η διπλή αυτή φύση κάνει τα Surface Immobilized Electrides εξαιρετικά ευέλικτα. Από τη μία, θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για τους υπολογιστές του μέλλοντος, ικανούς να επεξεργάζονται πληροφορίες με ταχύτητες και ακρίβεια αδιανόητες για τη σημερινή τεχνολογία. Από την άλλη, θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως καταλύτες σε βιομηχανικές διεργασίες, μειώνοντας το ενεργειακό κόστος και την περιβαλλοντική επιβάρυνση.

«Καθώς η κοινωνία εξαντλεί τα όρια των σημερινών τεχνολογιών, η ανάγκη για νέα είδη υλικών γίνεται επιτακτική», σημειώνει ο Dr. Marcelo Kuroda, αναπληρωτής καθηγητής Φυσικής στο Auburn. «Η δουλειά μας ανοίγει έναν νέο δρόμο, όπου η βασική επιστήμη και οι πρακτικές εφαρμογές μπορούν να συναντηθούν.»

Οι προηγούμενες εκδοχές electrides είχαν περιορισμούς: ήταν ασταθείς και δύσκολο να παραχθούν σε μεγάλη κλίμακα. Με την προσκόλλησή τους σε στερεές επιφάνειες, η ομάδα του Auburn ξεπέρασε αυτά τα εμπόδια, προτείνοντας μια νέα οικογένεια υλικών που μπορούν να μεταβούν από το θεωρητικό μοντέλο σε πραγματικές εφαρμογές.

«Μπορεί να μιλάμε για καθαρή θεμελιώδη έρευνα, αλλά οι επιπτώσεις της είναι απολύτως χειροπιαστές», σχολιάζει ο Dr. Konstantin Klyukin, επίκουρος καθηγητής Μηχανικής Υλικών. «Αυτό το είδος υλικού έχει τη δυναμική να αλλάξει τόσο τον τρόπο που υπολογίζουμε όσο και τον τρόπο που κατασκευάζουμε προϊόντα.»

Η μελέτη, στην οποία συμμετείχαν επίσης οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Andrei Evdokimov και Valentina Nesterova, δείχνει πώς ο συνδυασμός χημείας, φυσικής και μηχανικής μπορεί να οδηγήσει σε καινοτομίες με απρόβλεπτο αντίκτυπο. Υποστηρίχθηκε από το U.S. National Science Foundation και τους υπολογιστικούς πόρους του Auburn University.

Ο κ. Μηλιόρδος πιστεύει ότι αυτή είναι μόνο η αρχή.

Μαθαίνοντας να δαμάζουμε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ανοίγουμε την πόρτα σε ένα νέο είδος τεχνολογίας. Στο μέλλον, ίσως μιλάμε για υπολογιστές που σκέφτονται, μηχανές που μαθαίνουν όπως ο άνθρωπος και εργοστάσια που δημιουργούν νέα υλικά με τρόπους που σήμερα δεν μπορούμε καν να φανταστούμε.

[source]