科學家發現轉化物質新途徑，或顛覆電子科技

特拉維夫大學的研究人員開發出一種突破性方法，能夠將石墨轉化為具有電子記憶功能的材料。透過操控原子層，這項技術可能會徹底改變計算機和電子裝置領域，其價值甚至可能超越鑽石和黃金。

幾個世紀以來，煉金術士一直夢想把銅變成黃金，卻不知這種轉化需要核反應才能實現。另一方面，鉛筆筆尖的石墨和鑽石其實有著相同的基本構成元素——碳原子。它們的關鍵差別在於原子的排列方式。要把石墨變成鑽石，需要極高的溫度和壓力來打破並重建化學鍵，這使得該過程在實際操作中難以實現。

特拉維夫大學量子層狀物質研究小組負責人摩西·本·沙洛姆教授表示，一種更可行的轉化方式是對石墨的原子層進行微調重組。與形成鑽石的強化學鍵不同，石墨中的各層是由微弱的範德華力結合在一起的，這使得它們能夠相互滑動。本·沙洛姆教授與特拉維夫大學雷蒙德與貝弗利·薩克勒物理與天文學院的博士生馬揚·維茲納·斯特恩和西蒙·薩利赫·阿特里在最近發表於《自然評論物理學》的一項研究中探索了這一想法。

雖然這個過程不會製造出鑽石，但它可能具有更高的技術價值。如果能夠快速有效地完成原子層的滑動，就有可能開發出微小的高效能電子記憶單元。這些新研發的多型材料最終可能被證明比鑽石和黃金都更有價值。

博士生馬揚·維茲納·斯特恩解釋說：「就像石墨一樣，自然界中還有許多其他具有弱鍵合層的材料。每一層就像一塊樂高積木——單獨打破一塊積木很困難，但分開並重新連線兩塊積木相對簡單。同樣，在層狀材料中，各層傾向於特定的堆疊位置，在這些位置上，原子與相鄰層的原子完美對齊。在這些位置之間的滑動是以微小的、不連續的跳躍方式進行的——每次僅移動一個原子的距離。」

博士生西蒙·薩利赫·阿特里描述他們的研究時說：「我們正在開發新方法，將各層滑動到不同的排列方式，並研究由此產生的材料。透過施加電場或機械壓力，我們可以將各層轉移到各種穩定的構型中。由於這些層在外部力移除後仍能保持最終位置，因此它們可以儲存資訊——就像一個微小的記憶單元一樣。」

他們的團隊還研究了不同層數如何影響材料的特性。例如，由兩種原子組成的三層材料可以形成六種不同的穩定材料，每一種都有獨特的內部極化。當層數增加到五層時，可能的結構數量增加到45種。透過在這些構型之間切換，研究人員可以控制材料的電學、磁學和光學特性。即使是僅由碳組成的石墨，也可以重新排列成六種不同的晶體形式，每一種都有不同的導電性、紅外線反應、磁化強度和超導特性。

主要的挑戰在於保持材料的穩定性，同時確保結構轉變是可控的。他們最近的展望論文總結了正在進行的研究，並提出了改進這種「滑動電子學」切換機制的新方法，為電子學、電腦科學及其他領域的創新應用鋪平了道路。

隨著研究的不斷深入，這些可滑動材料可能會徹底改變科技領域，提供更快、更高效的記憶儲存方式，並實現對材料特性前所未有的控制。精確操控原子層的能力正在開啟材料科學的新時代——在這個時代，最有價值的發現可能不是製造出黃金，而是挖掘出日常元素的隱藏潛力。

參考文獻：《滑動範德華多型體》，作者馬揚·維茲納·斯特恩、西蒙·薩利赫·阿特里和摩西·本·沙洛姆，2024年11月21日發表於《自然評論物理學》。DOI: 10.1038/s42254-024-00781-6