ابتكر الباحثون عائلة جديدة من المواد النانوية عن طريق خلط الفوسفور مع شرائط من مادة الزرنيخ بسمك ذرة واحدة، وهي مواد موصلة للغاية ومرشحة مثالية لبطاريات الجيل التالي والخلايا الشمسية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية. لا يوصل الفوسفور الكهرباء بشكل جيد، مما يعني أنه قليل الفائدة بمفرده في التطبيقات والأجهزة العملية. ومع ذلك، وجد الباحثون في جامعة كوليدج لندن (UCL) أن الفوسفور يصبح أكثر فائدة عندما يخلط مع الزرنيخ.
وقال آدم كلانسي، أحد مؤلفي الدراسة: "إن عملنا الأخير في صناعة سبائك الفوسفور النانوية مع الزرنيخ يفتح العديد من الاحتمالات - خاصة لتحسين تخزين الطاقة في البطاريات والمكثفات الفائقة، وتعزيز أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء القريبة المستخدمة في الطب".
يقصد الباحثون بالأشرطة النانوية شرائط من الفسفور بسماكة ذرة واحدة، أو بشكل أكثر دقة، الفوسفورين، وهي مادة ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من طبقات الفسفور الأسود المصنوعة صناعيًا، وهو الشكل الأكثر استقرارًا من الفسفور. في عام 2019، اكتشف الباحثون في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس إمكانات شرائط الفوسفور النانوية. ووجدوا أن إضافة طبقة من أشرطة الفوسفور النانوية إلى الخلايا الشمسية البيروكسيدية يمكن أن يسمح للخلايا بالتقاط المزيد من الطاقة من الشمس.
وفي الدراسة الحالية، أدخلوا "كميات ضئيلة" من الزرنيخ من أجل تحسين موصلية الفوسفور. يتم خلط البلورات المتكونة من رقائق الفوسفور والزرنيخ مع الليثيوم المذاب في الأمونيا السائلة -58 درجة فهرنهايت (-50 درجة مئوية). بعد 24 ساعة، قم بإزالة الأمونيا واستبدلها بالمذيب العضوي. بسبب التركيب الذري للرقائق، يمكن لأيونات الليثيوم أن تتحرك في اتجاه واحد فقط وليس بشكل جانبي، مما يتسبب في تشكل الشقوق على شكل أشرطة. ابتكر الباحثون عائلة جديدة من المواد النانوية: شرائط نانوية من سبائك الزرنيخ والفوسفور (AsPNRs).
ووجدوا أن الأشرطة النانوية المصنوعة من سبائك الزرنيخ والفوسفور موصلة بدرجة عالية فوق 130 كلفن (-226 درجة فهرنهايت/-140 درجة مئوية) مع الاحتفاظ بالخصائص المفيدة لأشرطة الفوسفور النانوية النقية. السمة الرئيسية لـ AsPNRs هي "حركية الفتحات" العالية للغاية. الثقوب هي الشريك العكسي للإلكترونات في نقل الإلكترون، لذا فإن زيادة حركة الثقب (مقياس مدى سرعة تحرك الثقوب عبر المادة) يمكن أن تساعد في زيادة كفاءة نقل التيار.
في الوقت الحالي، يجب خلط شرائط الفوسفور النانوية بمواد موصلة مثل الكربون لاستخدامها كمواد أنود في بطاريات أيونات الليثيوم أو أيونات الصوديوم. وقال الباحثون إنه نظرًا لأن AsPNRs يمكنها تحسين سعة تخزين طاقة البطارية وسرعة الشحن والتفريغ، فإنها يمكن أن تلغي الحاجة إلى حشوات الكربون. بالإضافة إلى ذلك، يقولون إن استخدام AsPNRs في الخلايا الشمسية سيحسن تدفق الشحنات عبر الجهاز، وبالتالي زيادة كفاءة الخلايا.
وقال كلانسي: "إن شرائط الزرنيخ والفوسفور مغناطيسية أيضًا، ونعتقد أن المغناطيسية تأتي من الذرات الموجودة على طول الحواف، مما يجعلها مفيدة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا". "على نطاق أوسع، تظهر هذه الدراسة أن صناعة السبائك هي أداة قوية للتحكم في خصائص هذه العائلة المتنامية من المواد النانوية، وبالتالي تطبيقاتها وإمكاناتها."
ويقول الباحثون إن أجهزة AsPNR الخاصة بهم يمكن إنتاجها على نطاق واسع في سائل، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك في مجموعة متنوعة من التطبيقات بتكلفة منخفضة.
ونشر البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.