Atomskala byggstenar som har jämförts med mikroskopiska Lego gör att forskare kan leka med egenskaperna hos vanliga material, och möjligheterna är så stora att det skulle kunna hålla forskare sysselsatta under de kommande 50 åren.

Från stenåldern till Silicon Valley, material har definierat civilisationernas tekniska kapacitet.

Professor Andre Geim vid University of Manchester i Storbritannien är väl förtrogen med den verktygslåda som finns tillgänglig idag. År 2010, han tilldelades Nobelpriset i fysik för att ha utvidgat det med en exotisk form av kol som kallas grafen.

Till skillnad från material som kommer från naturen, grafen är en skapelse av vetenskap. Den är avskalad grafit i bikakemotiv så tunn som en enda atom. Kvantlagarna som råder på dessa små skalor gör att elektroner rör sig genom grafen på ovanliga sätt.

"Grafen kan vara starkare än stål, mer ledande än koppar och lika transparent som glas, sa prof. Geim. "Det liknar inte något ämne som finns i naturen."

Nu, som en del av ARTIMATTER-projektet finansierat av EU:s Europeiska forskningsråd, Prof. Geim skräddarsyr materia med ännu mer besynnerliga egenskaper genom att stapla grafen ovanpå andra atomärt tunna material.

Att blanda och matcha tvådimensionella skikt gjorda av olika element ger upphov till anmärkningsvärda fysikaliska egenskaper. Enligt prof. Geim, rätt kombination av byggstenar kan göra isolerande material till ledare, justera färgerna som de absorberar, och synkronisera beteendet hos elektroner inuti dem.

Dessa förmågor härrör från djupa förändringar i hur materialen beter sig. Används på rätt sätt, de kan övervinna etablerade barriärer inom modern elektronik, som att minska svarstiden för fjärrinfraröda detektorer, eller kanske till och med bibehålla supraledning vid rumstemperatur.

De nya byggstenarna ger också verktyg för att testa vetenskapliga teorier och utforska nya fenomen. Det vi lär oss av deras excentriciteter kan påverka framtida teknik lika djupt som halvledarfysik har förändrat dator- och telekommunikationssektorn idag.

Oändliga möjligheter

"Vetenskapligt sett, grafen är gjort. Vi förstår nu hur det fungerar och letar efter applikationer för det, sa prof. Geim. "Men möjligheterna att kombinera grafen med andra atomärt tunna material är nästan oändliga. Jag ser inte att detta Lego -arbete blir klart när som helst under de närmaste 50 åren. '

En anledning till att det är svårt att förutse de potentiella resultaten av nanoskopiska byggstenar är att datorerna som beräknar hur de passar ihop inte är tillräckligt kraftfulla för att ta hänsyn till deras fulla komplexitet.

Dr Barbara Capone vid universitetet i Wien, Österrike, och Roma Tre University, Italien, arbetar med polymerer – långa kedjor av atomer som upprepar miljontals gånger samma sekvens.

Även om dataprocessorer kan förutsäga hur dessa byggstenar beter sig när de är ensamma eller i täta grupper, de kan inte följa reaktioner som äger rum när glesa polymerkoncentrationer blandas.

"Vi kan simulera hur enskilda atomer beter sig i enstaka molekyler, och för täta koncentrationer, vi kan i genomsnitt utvärdera miljarder kinks och egenheter, sa Dr Capone. "Men vad som händer mellan dessa ytterligheter förblir mystiskt eftersom det finns för många molekyler att spåra och för få att generalisera från."

Ganska stor

Dr Capone har ägnat år åt att förfina statistiska metoder inom teoretisk fysik för att hjälpa datorer att komma överens med komplexiteten. Istället för att följa varje pusselbit samtidigt, hon grupperar reaktioner i lagom stora regioner och modellerar interaktioner mellan deras lokala medelvärden. När den appliceras på glesa polymerkoncentrationer, hennes förenklingar avslöjar juveler bland sjukdomen.

"Dessa polymerer är anmärkningsvärda byggstenar, sa Dr Capone. "Beroende på hur långa och täta vi gör dem, eller hur vi ympar kedjorna till varandra, de viker sig till helt olika former.'

I princip, den rätta blandningen av ingredienser kan spontant bildas i kubiska kolumner av vanliga halvledande kristaller, det amorfa nätverket av glas, eller till och med bikakestrukturen hos grafen.

Detta är välkomna nyheter för alla som arbetar med material för elektronik. Att skulptera de perfekta atomnäten som krävs för att bygga högkvalitativa transistorer eller solceller kräver för närvarande enorma mängder tid och energi.

Kollegor till Dr Capone tar experimentella steg mot en annan applikation. Som en del av det EU-finansierade NANODRIVE-projektet, de kommer att producera stjärnformade polymerer som kollapsar när de reagerar med en given förening och sedan släpper sin last när de når en önskad miljö.

Detta är i huvudsak hur läkemedel levererar kemikalier, bara de gör det med slingrande komplicerade molekyler. Att förenkla komponenterna kan göra processen mer ekonomisk och mångsidig.

"Möjligheterna är oändliga, sade Dr Capone, som kommer att lansera NANODRIVE den här månaden. "Med några justeringar, dessa polymerer kan bilda strukturer som kapslar in föroreningar och filtrerar bort dem från dricksvattnet.'

Dr Capone säger att hon är exalterad både över de sociala fördelarna som en sådan teknik kan ge till nödsituationer och insikten som grundläggande byggstenar kan erbjuda på fysiska, kemiska och biologiska processer som äger rum på nanoskala.

"Jag har alltid varit intresserad av att hitta det enklaste sättet att göra något komplicerat, sa Dr Capone. "Det är ofta det bästa sättet att förstå hur det fungerar."