Serendipity har lika stor plats i vetenskapen som i kärleken. Det är vad de nordöstra fysikerna Swastik Kar och Srinivas Sridhar fann under sitt fyraåriga projekt för att modifiera grafen, ett oändligt mycket tunt gitter som är starkare än stål av tätt packade kolatomer. Primärt finansierat av Army Research Laboratory och Defense Advanced Research Projects Agency, eller DARPA, forskarna anklagades för att ha ingjutit det decennium gamla materialet med värmekänslighet för användning i infraröda bildapparater som mörkerseende glasögon för militären.

Vad de grävde fram, publicerades på fredagen i tidskriften Vetenskapens framsteg , var så mycket mer:ett helt nytt material spunnet ur bor, kväve, kol, och syre som visar tecken på magnetisk, optisk, och elektriska egenskaper samt DARPAs eftertraktade termiska. Dess potentiella applikationer kör hela skalan:från 20-megapixel-arrayer för mobiltelefonkameror till fotodetektorer till atomärt tunna transistorer som multiplicerade med miljarder kan driva datorer.

"Vi var tvungna att börja från noll och bygga allt, säger Kar, en biträdande professor i fysik vid College of Science. "Vi var på en resa, skapa en ny väg, en ny forskningsriktning."

Paret var bekant med "legeringar, "kontrollerade kombinationer av element som resulterade i material med egenskaper som överträffade grafenens - till exempel, tillsatsen av bor och kväve till grafens kol för att ange den ledningsförmåga som krävs för att producera en elektrisk isolator. Men ingen hade någonsin tänkt på att välja syre att tillsätta i mixen.

Vad fick de nordöstra forskarna att göra det?

"Väl, vi valde inte syre, säger Kar, leende brett. "Syre valde oss."

Syre, självklart, är överallt. Verkligen, Kar och Sridhar tillbringade mycket tid med att försöka bli av med syret som sipprade in i deras brygd, oroliga för att det skulle förorena det "rena" materialet de försökte utveckla.

"Det var där Aha!-ögonblicket hände för oss, " säger Kar. "Vi insåg att vi inte kunde ignorera den roll som syre spelar i hur dessa element blandas ihop."

"Så istället för att försöka ta bort syre, vi tänkte:Låt oss kontrollera dess introduktion, " tillägger Sridhar, the Arts and Sciences Distinguished Professor of Physics och chef för Northeasterns Electronic Materials Research Institute.

Syre, Det visade sig, betedde sig i reaktionskammaren på ett sätt som forskarna aldrig hade förutsett:det avgjorde hur de andra elementen - bor, kol, och kväve – kombinerat i ett fast ämne, kristallform, samtidigt som den sätter in sig själv i gallret. Spårmängderna av syre var, metaforiskt, "etsa bort" några av kolfläckarna, förklarar Kar, ger plats åt bor och kväve för att fylla luckorna.

"Det var som om syret styrde den geometriska strukturen, säger Sridhar.

De döpte det nya materialet, förnuftigt, 2D-BNCO, representerar de fyra elementen i blandningen och tvådimensionaliteten hos det supertunna lättviktsmaterialet, och började karakterisera och tillverka den, för att säkerställa att den var både reproducerbar och skalbar. Det innebar att man undersökte de otaliga permutationerna av de fyra ingredienserna, hålla tre konstanta samtidigt som man varierar måttet på den återstående, och vice versa, flera gånger om.

Efter varje försök, de analyserade produktens struktur och funktionella egenskaper – elektriska, optisk – med hjälp av elektronmikroskop och spektroskopiska verktyg, och samarbetade med beräkningsfysiker, som skapade modeller av strukturerna för att se om konfigurationerna skulle vara genomförbara i den verkliga världen.

Därefter kommer de att undersöka det nya materialets mekaniska egenskaper och börja experimentellt validera de magnetiska som tilldelats, förvånande, genom sammanblandning av dessa fyra omagnetiska element. "Du börjar se väldigt snabbt hur komplicerad den processen är, säger Kar.

Samarbetspartners från hela världen hjälpte till med den komplexiteten. Förutom nordöstra associerade forskare, postdoktorer, och doktorander, bidragsgivare var forskare inom regeringen, industri, och akademi från USA, Mexiko, och Indien.

"Det är fortfarande en lång väg att gå men det finns tydliga indikationer på att vi kan justera de elektriska egenskaperna hos dessa material, " säger Sridhar. "Och om vi hittar den rätta kombinationen, vi kommer med stor sannolikhet att komma till den punkt där vi når den termiska känslighet som DARPA ursprungligen letade efter, såväl som många ännu oförutsedda tillämpningar."