مواد أحادية الطبقة

الجرافين

الجرافين هو شكل بلوري من أشكال الكربون ، يتخذ هيئة صفيحة شفافة تقريبًا (للضوء المرئي) بسماكة ذرة واحدة. وهو أقوى بمئات المرات من معظم أنواع الفولاذ من حيث الوزن. ^{[ 6 ]} يتميز بأعلى موصلية حرارية وكهربائية معروفة، حيث تبلغ كثافة التيار فيه مليون ضعف كثافة التيار في النحاس . ^{[ 7 ]} وقد تم إنتاجه لأول مرة عام 2004. ^{[ 8 ]}

فاز أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2010 "لتجاربهما الرائدة المتعلقة بمادة الجرافين ثنائية الأبعاد". وقد أنتجاها لأول مرة عن طريق رفع رقائق الجرافين من الجرافيت الصلب باستخدام شريط لاصق ، ثم نقلها إلى رقاقة سيليكون. ^{[ 9 ]}

الجرافين

الجرافين هو أحد أشكال الكربون ثنائية الأبعاد، ويشبه تركيبه تركيب الجرافين. يمكن اعتباره شبكة من حلقات البنزين المتصلة بروابط الأسيتيلين . وبناءً على محتوى مجموعات الأسيتيلين، يُمكن اعتبار الجرافين تهجينًا مختلطًا sp²n ، حيث 1 < n < 2، ^{[ 10 ] [ 11 ]} مقارنةً بالجرافين (تهجين sp² نقي ^{) والماس} ( تهجين ^sp³ نقي ).    

تم التكهن بوجود الجرافين قبل عام 1960. ^{[ 12 ]} في عام 2010، تم تصنيع الجرافين ثنائي الأسيتيلين (الجرافين مع مجموعات ثنائي الأسيتيلين ) على ركائز نحاسية . ^{[ 13 ]} في عام 2022، ادعى فريق بحثي نجاحه في استخدام تفاعل تبادل الألكاين لتصنيع الجرافين، إلا أن هذا الادعاء محل جدل. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ومع ذلك، وبعد إجراء تحقيق، سحبت الجهة الناشرة ورقة الفريق البحثية بسبب بيانات ملفقة. ^{[ 16 ] [ 17 ]} لاحقًا خلال عام 2022، تم تصنيع طبقات متعددة من γ-جرافين بنجاح من خلال بلمرة 1،3،5-ثلاثي برومو-2،4،6-ثلاثي إيثينيل بنزين في ظل ظروف اقتران سونوجاشيرا . ^{[ 18 ] [ 19 ]} مؤخرًا، تم الادعاء بأنه منافس للجرافين نظرًا لإمكانية وجود مخاريط ديراك المعتمدة على الاتجاه . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

البوروفين عبارة عن طبقة أحادية ذرية بلورية من البورون، ويُعرف أيضًا باسم صفيحة البورون . تنبأت النظرية بوجوده لأول مرة في منتصف التسعينيات في حالة حرة، ^{[ 22 ]} ثم أثبته تشانغ وآخرون كطبقات أحادية الذرة متميزة على الركائز، ^{[ 23 ]} وتم تأكيد هياكل البوروفين المختلفة تجريبيًا في عام 2015. ^{[ 24 ] [ 25 ]} وتشير حسابات المبادئ الأولى إلى أن البوروفين ثنائي الطبقة في طور كاغومي هو موصل فائق غير متناحٍ ذو اقتران قوي بين الإلكترون والفونون ودرجة حرارة حرجة تتراوح بين 17 و35 كلفن. ^{[ 26 ]}

الجرمانيوم هو أحد أشكال الجرمانيوم ثنائية الأبعاد، ويتميز ببنية تشبه قرص العسل. ^{[ 27 ]} ويُظهر الجرمانيوم المُصنّع تجريبيًا بنيةً تشبه قرص العسل. [ ^{28 ] [ 29 ] تتكون} هذه البنية من شبكتين فرعيتين سداسيتين ، تفصل بينهما مسافة 0.2 أنغستروم عموديًا. ^{[ 30 ]} وقد أثبتت التجارب أن حالات حافة تأثير هول الكمومي الدوراني للجرمانيوم تستمر عند درجة حرارة الغرفة، ويمكن إطفاؤها بواسطة مجال كهربائي، مما يدل على طور طوبولوجي قوي وقابل للتعديل بدرجة عالية. ^{[ 31 ]}

السيليسين هو أحد أشكال السيليكون ثنائية الأبعاد ، وله بنية سداسية تشبه خلية النحل، على غرار بنية الجرافين. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} ويعتمد نموه على طبقة سطحية من سبيكة السيليكون/الفضة (111) المنتشرة أسفل الطبقة ثنائية الأبعاد. ^{[ 35 ]} ومن خلال تصنيع السيليسين بين طبقة عازلة ثنائية الأبعاد من القصدير، يتم الحصول على صفيحة سيليسين مغلفة تتمتع بثبات في الهواء. ^{[ 36 ]}

الستانين عازل طوبولوجي متوقع ، قد يُظهر تيارات عديمة التبديد عند حوافه بالقرب من درجة حرارة الغرفة . يتكون من ذرات القصدير المرتبة في طبقة واحدة، بطريقة مشابهة للجرافين. ^{[ 37 ]} يؤدي تركيبه الملتوي إلى تفاعلية عالية ضد ملوثات الهواء الشائعة مثل أكاسيد النيتروجين _وثاني أكسيد الكربون _، وهو قادر على احتجازها وتفكيكها عند درجات حرارة منخفضة. ^{[ 38 ]} أظهر تحديد بنية الستانين باستخدام حيود الإلكترونات منخفضة الطاقة وجود ستانين فائق النعومة على سطح النحاس Cu(111). ^{[ 39 ]}

البلومبين هو أحد أشكال الرصاص ثنائية الأبعاد ، وله بنية سداسية تشبه خلية النحل، مماثلة لبنية الجرافين. ^{[ 40 ]} ونظرًا لكتلته الذرية الكبيرة واقترانه القوي بين الدوران والمدار، يُتوقع أن يمتلك البلومبين فجوة طاقة تبلغ حوالي 0.2 إلكترون فولت، وأن يتصرف كعازل طوبولوجي ثنائي الأبعاد قوي، مما قد يُتيح حدوث تأثير هول الكمومي الدوراني عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 41 ]}

الفوسفورين هو شكل بلوري ثنائي الأبعاد من أشكال الفوسفور . بنيته السداسية أحادية الذرة تجعله مشابهًا من حيث المفهوم للجرافين. مع ذلك، يتميز الفوسفورين بخصائص إلكترونية مختلفة تمامًا؛ فهو يمتلك فجوة طاقة غير صفرية، بالإضافة إلى حركية إلكترونية عالية. ^{[ 42 ]} هذه الخاصية تجعله شبه موصل أفضل من الجرافين. ^{[ 43 ]} تعتمد عملية تصنيع الفوسفورين بشكل أساسي على طرق التفكيك الميكانيكي الدقيق أو التقشير في الطور السائل. تتميز الطريقة الأولى بانخفاض المردود، بينما تُنتج الطريقة الثانية صفائح نانوية حرة قائمة بذاتها في المذيب وليس على دعامة صلبة. أما طرق التصنيع من الأسفل إلى الأعلى، مثل الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، فلا تزال غير مستخدمة نظرًا لتفاعليتها العالية. لذلك، في الوضع الراهن، تُعد تقنيات التجميع الرطب، مثل طريقة لانغمير-بلودجيت ، الطريقة الأكثر فعالية لتصنيع أغشية رقيقة من الفوسفورين على مساحات واسعة، حيث تتضمن تجميع الصفائح النانوية ثم ترسيبها على دعامات صلبة. ^{[ 44 ]}

الأنتيمونين هو أحد أشكال الأنتيمون ثنائية الأبعاد ، حيث تترتب ذراته في شبكة سداسية ملتوية. وتوقعت حسابات نظرية ^{[ 45 ]} أن يكون الأنتيمونين شبه موصل مستقر في الظروف المحيطة، ويتمتع بأداء مناسب للإلكترونيات الضوئية. وقد عُزل الأنتيمونين لأول مرة عام 2016 بتقنية التقشير الميكانيكي الدقيق ^{[ 46 ]} ، ووُجد أنه يتمتع بثبات عالٍ في الظروف المحيطة. وتجعله خصائصه مرشحًا جيدًا للتطبيقات الطبية الحيوية وتطبيقات الطاقة ^{[ 47 ] .}

أظهر الأنتيمونين إمكانات واعدة في تطبيقات تخزين الطاقة والاستشعار الكهروكيميائي. ففي المكثفات الفائقة، حققت الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الأنتيمونين سعة نوعية عالية (حوالي 1578 فاراد/ ^غرام ) إلى جانب كثافة طاقة تبلغ 20 واط ساعة/كيلوغرام وكثافة قدرة تبلغ 4.8 كيلوواط/كيلوغرام. ^{[ 48 ]} علاوة على ذلك، تم دمج الأنتيمونين في منصات التحليل الكهربائي لتحسين كشف المواد المراد تحليلها. ^{[ 49 ]}

البزموثين عازل طوبولوجي ثنائي الأبعاد يتكون من شبكة سداسية من ذرات البزموث، وقد تم تصنيعه لأول مرة على كربيد السيليكون عام 2016. ^{[ 50 ] [ 51 ]} تدعم فجوة نطاقه الكبيرة (~800 مللي فولت)، والناتجة عن اقتران الدوران المداري القوي، سلوك هول الكمي الدوراني عند درجة حرارة الغرفة ، مما يجعله أحد أكثر العوازل الطوبولوجية ثنائية الأبعاد استقرارًا في الحالة الطبيعية. ^{[ 52 ] [ 53 ]} وقد تم الإبلاغ عن تقشير البزموثين من الأعلى إلى الأسفل في حالات مختلفة ^{[ 54 ] [ 55 ]} مع أعمال حديثة تشجع على استخدام البزموثين في مجال الاستشعار الكهروكيميائي. ^{[ 56 ] [ 57 ]} تكشف الدراسات الميكانيكية على البزموثين أن هذه المادة تجمع بين قوة كسر عالية وصلابة معتدلة وموصلية حرارية منخفضة، ^{[ 58 ]} مما يجعلها مرشحًا قويًا للأجهزة الكهروحرارية والإلكترونية النانوية.

في 16 أبريل 2024، أعلن علماء من جامعة لينشوبينغ في السويد عن إنتاجهم لمادة "غولدين" ، وهي طبقة أحادية من ذرات الذهب  بعرض 100 نانومتر. ونُقل عن لارس هولتمان ، عالم المواد في الفريق البحثي، قوله: "نؤكد أن "غولدين" هو أول معدن ثنائي الأبعاد قائم بذاته، على حد علمنا"، أي أنه غير مرتبط بأي مادة أخرى، على عكس "بلومبين" و "ستانين" . وكان باحثون من جامعة نيويورك أبوظبي قد أعلنوا سابقًا عن تخليق "غولدين" في عام 2022، إلا أن علماء آخرين جادلوا بأن فريق جامعة نيويورك أبوظبي لم يثبت أنهم صنعوا طبقة أحادية من الذهب، بل طبقة متعددة الطبقات. ومن المتوقع أن يُستخدم "غولدين" بشكل أساسي لخصائصه البصرية، في تطبيقات مثل الاستشعار أو كمحفز . ^{[ 59 ]}

تم إثبات وجود طبقات أحادية وثنائية الذرة من البلاتين في بنية غشائية ثنائية الأبعاد. ^{[ 61 ] [ 62 ]} تُنمّى هذه الأغشية الرقيقة للغاية من البلاتين نموًا تآثريًا على الجرافين، ^{[ 61 ]} مما يُحدث إجهادًا انضغاطيًا يُعدّل التركيب الكيميائي لسطح البلاتين، مع السماح في الوقت نفسه بانتقال الشحنة عبر الجرافين. ^{[ 62 ]} كما تم تصنيع طبقات أحادية الذرة من البلاديوم بسماكة تصل إلى 2.6  أنغستروم، ^{[ 60 ]} والروديوم بسماكة أقل من 4 أنغستروم ^{[ 63 ]،} وتم توصيفها باستخدام مجهر القوة الذرية ومجهر الإلكترون النافذ. 

حقق التيتانيوم ثنائي الأبعاد، المُصنّع بتقنية التصنيع الإضافي ( دمج مسحوق الليزر )، قوةً تفوق أي مادة معروفة (أكبر بنسبة 50% من سبيكة المغنيسيوم WE54). رُتّبت المادة في شبكة أنبوبية مع شريط رفيع يمتد داخلها، جامعًا بين بنيتين شبكيتين متكاملتين. وقد أدى ذلك إلى تقليل الإجهاد إلى النصف عند أضعف نقاط البنية. ^{[ 64 ]}

تم اقتراح بلورات فائقة من مواد ثنائية الأبعاد ومحاكاتها نظريًا. ^{[ 65 ] [ 66 ]} تتكون هذه البلورات أحادية الطبقة من هياكل دورية فوق ذرية، حيث تُستبدل الذرات في عقد الشبكة بمركبات متناظرة. على سبيل المثال، في البنية السداسية للجرافين، تُرتّب أنماط من 4 أو 6 ذرات كربون بشكل سداسي بدلًا من الذرات المفردة، كعقدة متكررة في وحدة الخلية .

تتكون طبقة أحادية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂ ₎ ، وهو نموذج أولي لثنائي الكالكوجينيدات الانتقالية (TMD)، من طبقة واحدة من ذرات الموليبدينوم محصورة بين طبقتين من ذرات الكبريت في شبكة سداسية. يبلغ سمكها 0.65 نانومتر، ومع ذلك تتمتع بخصائص إلكترونية مميزة. على عكس _ثاني كبريتيد الموليبدينوم الكتلي ، الذي يمتلك فجوة نطاق غير مباشرة تبلغ 1.2 إلكترون فولت، فإن الطبقة الأحادية عبارة عن شبه موصل ذو فجوة نطاق مباشرة تبلغ حوالي 1.8 إلكترون فولت. ^{[ 72 ]} تؤدي فجوة النطاق المباشرة إلى تعزيز كبير في التألق الضوئي، مما يعني أنها تُصدر الضوء بكفاءة أعلى من المادة الكتلية. ^{[ 73 ]}

يفتقر MoS₂ أحادي الطبقة _أيضًا إلى تناظر الانعكاس، الذي يربط دوران الإلكترون بحالات الوادي المتميزة. ^{[ 74 ]} هذه الخصائص البنيوية والإلكترونية الفريدة تجعله مفيدًا على نطاق واسع لمجموعة كبيرة من التطبيقات.

استُخدمت طبقة أحادية من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) في صناعة ترانزستورات تأثير المجال ذات نسبة تيار تشغيل/إيقاف عالية. _[ 75 ^{] وتؤدي فجوة} النطاق المباشرة لهذه الطبقة إلى كاشفات ضوئية فعالة ذات حساسية عالية في نطاق الضوء المرئي. ^{[ 76 ] [ 77 ]} علاوة على ذلك، فإن سمكها الذري ومرونتها الميكانيكية يجعلانها مادة مناسبة للدوائر المرنة أو أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء.

_{يلعب ثاني} كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂ ) دورًا هامًا في التحفيز. تعمل حواف طبقاته _{الأحادية} كمواقع نشطة للتفاعلات الكيميائية. ^{[ 78 ]} لهذا السبب، قد تتضمن هندسة وتصنيع الأجهزة مراعاة زيادة مساحة السطح التحفيزي إلى أقصى حد، على سبيل المثال باستخدام جسيمات نانوية صغيرة بدلًا من صفائح كبيرة ^{[ 78 ]} أو ترسيب الصفائح عموديًا بدلًا من أفقيًا. ^{[ 79 ]}

بينما يمتلك الجرافين بنية شبكية سداسية تشبه خلية النحل، حيث تنشأ روابط ثنائية متناوبة من ذرات الكربون المرتبطة بروابط sp² ^، فإن الجرافان، الذي يحتفظ بالبنية السداسية، هو النسخة المهدرجة بالكامل من الجرافين، حيث ترتبط كل ذرة كربون مهجنة sp³ ^بذرة هيدروجين (الصيغة الكيميائية (CH) _ₙ ). علاوة على ذلك، فبينما يكون الجرافين مستويًا نظرًا لطبيعته ذات الروابط الثنائية، يتميز الجرافان بمتانته، حيث تتخذ الحلقات السداسية أشكالًا بنيوية مختلفة خارج المستوى، مثل شكل الكرسي أو القارب، مما يسمح بزوايا مثالية تبلغ 109.5 درجة، والتي تقلل من إجهاد الحلقة، في تشابه مباشر مع أشكال السيكلوهكسان. ^{[ 80 ]}

طُرحت نظرية الجرافين لأول مرة عام 2003، ^{[ 81 ]} وثبت استقراره باستخدام حسابات الطاقة من المبادئ الأولى عام 2007، ^{[ 82 ]} وتم تصنيعه تجريبياً لأول مرة عام 2009. ^{[ 83 ]} تتوفر طرق تجريبية متنوعة لتصنيع الجرافين، بما في ذلك طرق التفكيك من الأعلى إلى الأسفل، مثل اختزال الجرافيت في المحلول أو هدرجة الجرافيت باستخدام البلازما/غاز الهيدروجين، بالإضافة إلى طريقة الترسيب الكيميائي للبخار من الأسفل إلى الأعلى. ^{[ 80 ]} الجرافين عازل، بفجوة نطاق متوقعة تبلغ 3.5 إلكترون فولت؛ ^{[ 84 ]} ومع ذلك، فإن الجرافين المهدرج جزئياً شبه موصل، حيث يتم التحكم في فجوة النطاق بدرجة الهدرجة. ^{[ 80 ]}

الجرمانيوم بلورة أحادية الطبقة تتكون من الجرمانيوم، حيث ترتبط ذرة واحدة منه برابطة هيدروجينية في الاتجاه z. ^{[ 85 ] [ 86 ]} يشبه تركيب الجرمانيوم تركيب الجرافين ، بينما لا يتخذ الجرمانيوم الصلب هذا التركيب. يُنتج الجرمانيوم على مرحلتين بدءًا من جرمانيد الكالسيوم . من هذه المادة، يُزال الكالسيوم (Ca) عن طريق إزالة التداخل باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) للحصول على مادة صلبة طبقية صيغتها التجريبية GeH. ^{[ 87 ]} تتبادل مواقع الكالسيوم في طور زينتل CaGe₂ _مع ذرات الهيدروجين في محلول حمض الهيدروكلوريك، مما ينتج GeH و _CaCl₂ .

تم اكتشاف مادة SLSiN (اختصار لـ Single - Layer Si licon Nitride )، وهي مادة ثنائية الأبعاد جديدة تُعتبر أول عضو من عائلة Si3N4 بعد الجرافين _، لأول _مرة حسابيًا في عام 2020 من خلال محاكاة قائمة على نظرية الكثافة الوظيفية. ^{[ 88 ]} تتميز هذه المادة الجديدة بأنها ثنائية الأبعاد بطبيعتها، وهي عازلة ذات فجوة نطاق تبلغ حوالي 4 إلكترون فولت، ومستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية ومن حيث ديناميكيات الشبكة البلورية.

طبقة أحادية من نتريد البورون السداسي (h-BN) هي مادة ثنائية الأبعاد تُشابه الجرافين، وتتكون من شبكة سداسية مستوية من ذرات البورون والنيتروجين المتناوبة، ولها ثابت شبكي قريب من ثابت شبكة الجرافين. ^{[ 90 ]} يتميز نتريد البورون السداسي بروابط تساهمية قوية من نوع sp² ^داخل الطبقات، وروابط فان دير فالس ضعيفة بينها، مما يؤدي إلى تباين واضح في الخواص. تُعد طبقة hBN الأحادية عازلاً كهربائياً ذو فجوة نطاق واسعة تتراوح بين 5.9 و6.4 إلكترون فولت. ^{[ 91 ]} علاوة على ذلك، تُظهر طبقة hBN الأحادية فجوة نطاق مباشرة، بينما تُظهر الطبقات القليلة والطبقة الصلبة فجوة نطاق غير مباشرة، وتُظهر تألقاً ضوئياً قوياً في نطاق الأشعة فوق البنفسجية نتيجةً للإكسيتونات المرتبطة بإحكام. ^{[ 92 ]} كما تُظهر موصلية حرارية ممتازة في المستوى، ومتانة ميكانيكية فائقة، بمعامل يونغ يبلغ حوالي 0.8 تيرا باسكال، وقوة كسر تبلغ حوالي 70 جيجا باسكال. ^{[ 93 ]}

يُعدّ توصيف الخصائص الميكانيكية للمواد ثنائية الأبعاد أمرًا صعبًا نظرًا لتفاعليتها مع البيئة المحيطة وقيود الركيزة الموجودة في العديد منها. ولذلك، تُحسب العديد من الخصائص الميكانيكية باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية أو محاكاة الميكانيكا الجزيئية . يُمكن إجراء توصيف ميكانيكي تجريبي للمواد ثنائية الأبعاد التي تتحمل ظروف الإعداد التجريبي، والتي يُمكن ترسيبها على ركائز مناسبة أو وجودها بشكل حر. كما تُظهر العديد من المواد ثنائية الأبعاد تشوهًا خارج المستوى، مما يزيد من تعقيد القياسات. ^{[ 104 ]}

يُستخدم اختبار النانو-انضغاط بشكل شائع لقياس معامل المرونة والصلابة وقوة الكسر للمواد ثنائية الأبعاد تجريبيًا. ومن هذه القيم المقاسة مباشرةً، توجد نماذج تسمح بتقدير مقاومة الكسر ، ومعامل التصلب بالتشكيل ، والإجهاد المتبقي، وقوة الخضوع . تُجرى هذه التجارب باستخدام معدات نانو-انضغاط مخصصة أو مجهر القوة الذرية (AFM). تُجرى تجارب النانو-انضغاط عادةً باستخدام المادة ثنائية الأبعاد على شكل شريط خطي مثبت من كلا الطرفين، ويخضع للانضغاط بواسطة إسفين، أو باستخدام المادة ثنائية الأبعاد على شكل غشاء دائري مثبت حول محيطه، ويخضع للانضغاط بواسطة طرف منحني في المنتصف. يصعب تحضير شكل الشريط، ولكنه يُسهّل التحليل نظرًا لحقول الإجهاد الخطية الناتجة. أما الشكل الدائري الشبيه بالأسطوانة فهو الأكثر شيوعًا، ويمكن تحضيره بسهولة عن طريق تقشير العينات على ركيزة منقوشة. يُشار إلى الإجهاد المُطبق على الغشاء أثناء عملية التثبيت بالإجهاد المتبقي. في حالة الطبقات الرقيقة جدًا من المواد ثنائية الأبعاد، يُهمل إجهاد الانحناء عمومًا في قياسات الانضغاط، بينما يصبح إجهاد الانحناء ذا أهمية في العينات متعددة الطبقات. يمكن استخلاص قيم معامل المرونة والإجهاد المتبقي بتحديد الجزأين الخطي والتكعيبي لمنحنى القوة-الإزاحة التجريبي. يُستخلص إجهاد الكسر للصفيحة ثنائية الأبعاد من الإجهاد المُطبق عند فشل العينة. وُجد أن حجم رأس مجهر القوة الذرية له تأثير ضئيل على قياس الخصائص المرنة، ولكن وُجد أن قوة الكسر تعتمد بشدة على حجم الرأس نظرًا لتركيز الإجهاد عند قمته. ^{[ 105 ]} باستخدام هذه التقنيات، وُجد أن معامل المرونة وقوة الخضوع للجرافين هما 342 نيوتن/متر و55 نيوتن/متر على التوالي. ^{[ 105 ]}

تُعدّ قياسات نسبة بواسون في المواد ثنائية الأبعاد عمليةً بسيطةً عمومًا. وللحصول على قيمة، تُعرَّض صفيحة ثنائية الأبعاد للإجهاد، ثم تُقاس استجابات الإزاحة، أو يُجرى حساب باستخدام المحاكاة الديناميكية الجزيئية. وقد وُجد أن البنى الفريدة الموجودة في المواد ثنائية الأبعاد تُؤدي إلى سلوكٍ أوكسيتيكي في الفوسفورين ^{[ 106 ]} والجرافين ^{[ 107 ]} ، ونسبة بواسون تساوي صفرًا في البوروفين ذي الشبكة المثلثية ^{[ 108 ] .} 

تم استخلاص قياسات معامل القص للجرافين عن طريق قياس انزياح تردد الرنين في تجربة مذبذب ذي مجداف مزدوج، وكذلك باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية. ^{[ 109 ] [ 110 ]}

تم قياس مقاومة الكسر للمواد ثنائية الأبعاد في الوضع الأول (K_{_IC ) مباشرةً عن طريق شد طبقات متصدعة مسبقًا ومراقبة انتشار الشقوق في الوقت الحقيقي.} ^{[ 111 ]} كما استُخدمت محاكاة الديناميكا الجزيئية ومحاكاة الميكانيكا الجزيئية لحساب مقاومة الكسر في الوضع الأول. في المواد غير المتجانسة، مثل الفوسفورين، وُجد أن انتشار الشقوق يحدث بشكل تفضيلي على طول اتجاهات معينة. ^{[ 112 ]} وُجد أن معظم المواد ثنائية الأبعاد تخضع لكسر هش.

لا تزال الأبحاث المتعلقة بالمواد النانوية ثنائية الأبعاد في بداياتها، حيث يركز معظمها على توضيح خصائصها الفريدة ، بينما تتناول تقارير قليلة تطبيقاتها الطبية الحيوية . ^{[ 113 ]} ومع ذلك، فقد أثارت التطورات السريعة الأخيرة في مجال المواد النانوية ثنائية الأبعاد تساؤلات مهمة ومثيرة حول تفاعلاتها مع المكونات البيولوجية . توفر الجسيمات النانوية ثنائية الأبعاد، مثل المواد ثنائية الأبعاد القائمة على الكربون، وطين السيليكات، وثنائي الكالكوجينيدات للمعادن الانتقالية، وأكاسيد المعادن الانتقالية، وظائف فيزيائية وكيميائية وبيولوجية محسّنة بفضل أشكالها المنتظمة، ونسبة مساحة سطحها إلى حجمها العالية، وشحنتها السطحية.

المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D) هي مواد نانوية فائقة الرقة تتميز بدرجة عالية من التباين في الخواص والوظائف الكيميائية . [ ^{114 ] تتسم} هذه المواد بتنوع كبير في خصائصها الميكانيكية والكيميائية والبصرية ، فضلاً عن حجمها وشكلها وتوافقها الحيوي وقابليتها للتحلل. [ ^{115 ] [ 116 ] هذه} الخصائص المتنوعة تجعلها مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك توصيل الأدوية ، والتصوير ، وهندسة الأنسجة ، والمستشعرات الحيوية ، ومستشعرات الغاز ، وغيرها. ^{[ 117 ] [ 118 ]} ومع ذلك، فإن بنيتها النانوية منخفضة الأبعاد تمنحها بعض الخصائص المشتركة. على سبيل المثال، تُعد المواد النانوية ثنائية الأبعاد أرق المواد المعروفة، مما يعني أنها تمتلك أيضًا أعلى مساحة سطحية نوعية بين جميع المواد المعروفة. هذه الخاصية تجعلها ذات قيمة كبيرة للتطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من التفاعلات السطحية على نطاق صغير. ونتيجةً لذلك، يجري استكشاف المواد النانوية ثنائية الأبعاد لاستخدامها في أنظمة توصيل الأدوية ، حيث يمكنها امتصاص أعداد كبيرة من جزيئات الدواء وتوفير تحكم فائق في حركية إطلاق الدواء. ^{[ 119 ]} إضافةً إلى ذلك، فإن نسب مساحة سطحها إلى حجمها الاستثنائية وقيم معامل مرونتها العالية تجعلها مفيدةً في تحسين الخصائص الميكانيكية للمركبات النانوية الطبية الحيوية والهيدروجيلات النانوية المركبة ، حتى عند التركيزات المنخفضة. وقد كان رقتها الشديدة عاملاً أساسياً في تحقيق طفرات في الاستشعار الحيوي وتسلسل الجينات . علاوةً على ذلك، تسمح رقة هذه الجزيئات لها بالاستجابة السريعة للإشارات الخارجية مثل الضوء، مما أدى إلى استخدامها في العلاجات البصرية بجميع أنواعها، بما في ذلك تطبيقات التصوير، والعلاج الحراري الضوئي (PTT)، والعلاج الديناميكي الضوئي (PDT).

على الرغم من التطور السريع في مجال المواد النانوية ثنائية الأبعاد، إلا أنه يجب تقييم هذه المواد بدقة من حيث التوافق الحيوي لضمان ملاءمتها للتطبيقات الطبية الحيوية . ^{[ 120 ]} ونظرًا لحداثة هذه الفئة من المواد، فإن حتى المواد ثنائية الأبعاد المعروفة نسبيًا، مثل الجرافين، لا تزال غير مفهومة بشكل كافٍ من حيث تفاعلاتها الفيزيولوجية مع الأنسجة الحية . إضافةً إلى ذلك، أدت تعقيدات اختلاف حجم الجسيمات وشكلها، والشوائب الناتجة عن التصنيع، والتفاعلات البروتينية والمناعية ، إلى وجود فجوة معرفية في فهمنا للتوافق الحيوي لهذه المواد.