Memajukan pengeditan gen dengan varian CRISPR / Cas9 baru - ScienceDaily
Teknologi

Kemungkinan material baru dengan satu atom – ScienceDaily


Materi 2D baru memiliki potensi untuk mengubah teknologi, dengan aplikasi dari sel surya ke smartphone dan elektronik yang dapat dikenakan, jelas Can Ataca dari UMBC, asisten profesor fisika. Bahan-bahan ini terdiri dari satu lapisan atom yang terikat bersama dalam struktur kristal. Faktanya, mereka sangat tipis sehingga tumpukan 10 juta hanya akan setebal 1 milimeter. Dan terkadang, kata Ataca, lebih sedikit lebih baik. Beberapa material 2D lebih efektif dan efisien dibandingkan material sejenis yang jauh lebih tebal.

Terlepas dari kelebihannya, bagaimanapun, material 2D saat ini sulit dan mahal untuk dibuat. Itu berarti para ilmuwan yang mencoba menciptakannya perlu membuat pilihan yang cermat tentang bagaimana mereka menginvestasikan waktu, energi, dan dana mereka dalam pembangunan.

Penelitian baru oleh Daniel Wines, Ph.D. kandidat dalam fisika, dan Ataca memberi para ilmuwan itu informasi yang mereka butuhkan untuk mengejar penelitian berdampak tinggi di bidang ini. Pekerjaan teoritis mereka memberikan informasi yang dapat diandalkan tentang bahan baru mana yang mungkin memiliki sifat yang diinginkan untuk berbagai aplikasi dan bisa ada dalam bentuk yang stabil di alam. Dalam makalah terbaru yang diterbitkan di Bahan dan Antarmuka Terapan ACS, mereka menggunakan teknik pemodelan komputer mutakhir untuk memprediksi sifat material 2D yang belum dibuat di kehidupan nyata.

“Kami biasanya mencoba untuk bertahan lima tahun atau lebih di depan para eksperimentalis,” kata Wines. Dengan begitu, mereka dapat menghindari jalan buntu yang mahal. “Itulah waktu, tenaga, dan uang sehingga mereka bisa fokus pada hal lain.”

Perpaduan yang sempurna

Makalah baru berfokus pada stabilitas dan sifat material 2D yang disebut nitrida grup III. Ini adalah campuran nitrogen dan unsur dari golongan III pada tabel periodik, yang meliputi aluminium, galium, indium, dan boron.

Para ilmuwan telah membuat beberapa materi 2D ini dalam jumlah kecil. Alih-alih melihat campuran dari salah satu elemen grup III dengan nitrogen, bagaimanapun, paduan model Wines dan Ataca – campuran termasuk nitrogen dan dua elemen grup III yang berbeda. Misalnya, mereka meramalkan sifat-sifat material yang sebagian besar terbuat dari aluminium, tetapi dengan beberapa gallium yang ditambahkan, atau kebanyakan gallium, tetapi dengan beberapa indium yang ditambahkan.

Bahan “di antara” ini mungkin memiliki sifat perantara yang dapat berguna dalam aplikasi tertentu. “Dengan melakukan paduan ini, kami dapat mengatakan, saya memiliki cahaya oranye, tetapi saya memiliki bahan yang dapat menyerap cahaya merah dan kuning,” kata Ataca. “Jadi bagaimana saya bisa mencampurnya sehingga bisa menyerap cahaya oranye?” Menyesuaikan kemampuan penyerapan cahaya dari bahan-bahan ini dapat meningkatkan efisiensi sistem energi matahari, misalnya.

Paduan masa depan

Ataca dan Wines juga melihat sifat listrik dan termoelektrik bahan. Suatu bahan memiliki kemampuan termoelektrik jika dapat menghasilkan listrik ketika satu sisi dingin dan sisi lainnya panas. Nitrida golongan III dasar memiliki sifat termoelektrik, “tetapi pada konsentrasi tertentu, sifat termoelektrik paduan lebih baik daripada nitrida golongan III dasar,” kata Ataca.

Wines menambahkan, “Itulah motivasi utama melakukan paduan – penyetelan properti.”

Mereka juga menunjukkan bahwa tidak semua paduan akan stabil dalam kehidupan nyata. Misalnya, campuran aluminium dan boron pada konsentrasi berapa pun tidak stabil. Namun, lima rasio yang berbeda dari campuran galium-aluminium stabil.

Setelah produksi nitrida kelompok III dasar menjadi lebih andal dan ditingkatkan, Wines dan Ataca mengharapkan para ilmuwan untuk mengerjakan rekayasa bahan untuk aplikasi tertentu menggunakan hasil mereka sebagai panduan.

Kembali ke dasar … dengan superkomputer

Wines dan Ataca memodelkan properti bahan menggunakan superkomputer. Daripada menggunakan data eksperimental sebagai masukan untuk model mereka, “Kami menggunakan dasar-dasar mekanika kuantum untuk membuat properti ini. Jadi, bagian baiknya adalah kami tidak memiliki bias eksperimental,” kata Ataca. “Kami sedang mengerjakan hal-hal yang tidak memiliki bukti eksperimental sebelumnya. Jadi ini adalah pendekatan yang dapat dipercaya.”

Untuk mendapatkan hasil yang paling akurat membutuhkan daya komputasi yang sangat besar dan membutuhkan waktu yang lama. Menjalankan model mereka pada tingkat akurasi tertinggi dapat memakan waktu beberapa hari.

“Ini seperti menceritakan sebuah cerita,” kata Wines. “Kami melalui level paling dasar untuk menyaring materi,” yang hanya membutuhkan waktu sekitar satu jam. “Dan kemudian kami pergi ke tingkat akurasi tertinggi, menggunakan komputer paling canggih, untuk menemukan parameter seakurat mungkin.”

“Saya pikir bagian yang indah dari studi ini adalah bahwa kami mulai dari dasar dan kami benar-benar naik ke tingkat yang paling akurat di bidang kami,” Ataca menambahkan. “Tapi kami selalu bisa meminta lebih.”

Perbatasan baru

Mereka terus bergerak maju ke wilayah ilmiah yang belum dipetakan. Di makalah berbeda, diterbitkan dalam waktu seminggu sejak pertama masuk Bahan dan Antarmuka Terapan ACS, Theodosia Gougousi, profesor fisika; Jaron Kropp, Ph.D. ’20, fisika; dan Ataca mendemonstrasikan cara untuk mengintegrasikan materi 2D ke perangkat nyata.

Materi 2D sering kali perlu dipasang ke sirkuit elektronik di dalam perangkat. Diperlukan lapisan di antara untuk membuat koneksi itu – dan tim menemukan satu lapisan yang berfungsi. “Kami memiliki molekul yang dapat melakukan ini, yang dapat membuat sambungan ke material, untuk menggunakannya untuk aplikasi sirkuit eksternal,” kata Ataca.

Hasil ini merupakan masalah besar untuk implementasi materi 2D. “Pekerjaan ini menggabungkan penelitian eksperimental fundamental pada proses yang terjadi pada permukaan kristal atom 2D dengan evaluasi komputasi rinci dari sistem,” kata Gougousi. “Ini memberikan panduan kepada komunitas perangkat sehingga mereka berhasil mengintegrasikan materi baru ke dalam arsitektur perangkat tradisional.”

Kolaborasi lintas disiplin ilmu

Analisis teoritis untuk pekerjaan ini terjadi di lab Ataca, dan eksperimen terjadi di lab Gougousi. Kropp bekerja di kedua kelompok.

“Proyek ini menunjukkan sinergi yang dibutuhkan untuk pengembangan dan kemajuan sains dan teknologi,” kata Gougousi. “Ini juga merupakan contoh yang bagus tentang peluang yang dimiliki mahasiswa pascasarjana kami untuk menangani masalah-masalah yang sangat menarik minat teknologi, dan untuk mengembangkan dasar pengetahuan yang luas dan seperangkat keterampilan teknis yang unik.”

Kropp, penulis pertama pada makalah kedua, sangat senang memiliki pengalaman penelitian ini.

“Semikonduktor 2D menarik karena memiliki potensi untuk aplikasi pada perangkat elektronik non-tradisional, seperti perangkat elektronik yang dapat dikenakan atau fleksibel, karena sangat tipis,” katanya. “Saya beruntung memiliki dua penasihat yang sangat baik, karena ini memungkinkan saya untuk menggabungkan pekerjaan eksperimental dan teoritis dengan mulus. Saya berharap hasil dari pekerjaan ini dapat membantu peneliti lain untuk mengembangkan perangkat baru berdasarkan materi 2D.”

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Data Sidney