Los científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto una forma de controlar el crecimiento de torsiones, espirales microscópicas de materiales de un solo átomo de espesor.

Las pilas de materiales bidimensionales que se retuercen continuamente construidas por un equipo dirigido por el profesor de química Song Jin de UW-Madison crean nuevas propiedades que los científicos pueden explotar para estudiar la física cuántica en la nanoescala. Los investigadores publicaron hoy su trabajo en la revista Ciencias .

"Esta es la frontera actual de la investigación de materiales 2D. En los últimos años, Los científicos se han dado cuenta de que cuando haces un pequeño giro entre las capas atómicas, generalmente unos pocos grados, creas propiedades físicas muy interesantes, como la superconductividad no convencional. Por ejemplo, el material retorcido pierde completamente su resistencia eléctrica a baja temperatura, ", dice Jin." Los investigadores consideran estos materiales cuánticos bidimensionales, y llamar a ese trabajo 'twistronics' ".

Yuzhou Zhao, un estudiante de posgrado y primer autor del estudio, dice que la práctica estándar para hacer estructuras bidimensionales retorcidas ha sido apilar mecánicamente dos hojas de los materiales delgados una encima de la otra y controlar cuidadosamente el ángulo de torsión entre ellas a mano. Pero cuando los investigadores cultivan estos materiales 2-D directamente, no pueden controlar el ángulo de torsión porque las interacciones entre las capas son muy débiles.

"Imagínese hacer una pila de naipes girando continuamente. Si tiene dedos ágiles, podrías torcer las cartas, pero nuestro desafío es cómo hacer que las capas atómicas se retuerzan de una manera controlable por sí mismas a nanoescala, "Dice Jin.

El equipo de Jin descubrió cómo controlar el crecimiento de estas estructuras retorcidas a nanoescala pensando fuera del espacio plano de la geometría euclidiana.

La geometría euclidiana forma la base matemática del mundo con el que estamos familiarizados. Nos permite pensar en el mundo en planos planos, líneas rectas y ángulos rectos. A diferencia de, La geometría no euclidiana describe espacios curvos en los que las líneas son curvas y la suma de los ángulos en un cuadrado no es de 360 ​​grados. Teorías científicas que explican el continuo espacio-tiempo, como la relatividad general de Einstein, utilizar geometría no euclidiana como base. Pensando en estructuras cristalinas fuera de la geometría euclidiana, Jin dice:abre nuevas e interesantes posibilidades.

Zhao y Jin crearon espirales retorcidas aprovechando un tipo de imperfección en los cristales en crecimiento llamados dislocaciones de tornillos. Jin ha estudiado el crecimiento de cristales impulsado por la dislocación durante años y lo ha utilizado para explicar:por ejemplo, el crecimiento de árboles de nanocables. En materiales 2-D, las dislocaciones brindan un paso hacia arriba para las siguientes capas de la estructura, ya que gira en espiral como una rampa de estacionamiento con todas las capas a lo largo de la pila conectadas, alineando la orientación de cada capa.

Luego, para hacer crecer una estructura en espiral no euclidiana y hacer que las espirales se retuerzan, El equipo de Jin cambió la base desde la que crecieron sus espirales. En lugar de hacer crecer cristales en un plano plano, Zhao colocó una nanopartícula, como una partícula de óxido de silicio, debajo del centro de la espiral. Durante el proceso de crecimiento, la partícula interrumpe la superficie plana y crea una base curva para que crezca el cristal 2-D.

Lo que el equipo encontró es que en lugar de una espiral alineada donde el borde de cada capa se encuentra paralelo a la capa anterior, el cristal 2-D forma una torsión continua, Espiral multicapa que se retuerce predeciblemente de una capa a la siguiente. El ángulo de la torsión entre capas surge de un desajuste entre los cristales 2D planos (euclidianos) y las superficies curvas (no euclidianas) en las que crecen.

Zhao llama al patrón en el que la estructura en espiral crece directamente sobre la nanopartícula, creando una base en forma de cono, una "espiral sujeta". Cuando la estructura crece sobre una nanopartícula descentrada, como una casa construida en la ladera de una montaña, es un patrón de "espiral desabrochada". Zhao desarrolló un modelo matemático simple para predecir los ángulos de torsión de las espirales, basado en la forma geométrica de la superficie curva, y sus formas espirales modeladas combinan bien con las estructuras desarrolladas.

Después del descubrimiento inicial, El profesor de ingeniería y ciencia de materiales de UW-Madison Paul Voyles y su alumno Chenyu Zhang estudiaron las espirales bajo un microscopio electrónico para confirmar la alineación de los átomos en estas espirales retorcidas. Sus imágenes mostraron que los átomos en las capas retorcidas vecinas forman un patrón de interferencia superpuesto esperado llamado patrón muaré, que también le da a la ropa de seda fina en capas su brillo y ondulación. El profesor emérito de química John Wright y su laboratorio realizaron estudios preliminares que sugieren el potencial de propiedades ópticas inusuales de las espirales retorcidas.

Los investigadores utilizaron dicalcogenuros de metales de transición como capas para las espirales retorcidas, pero el concepto no depende de materiales específicos, siempre que sean materiales bidimensionales.

"Ahora podemos seguir un modelo racional basado en las matemáticas para crear una pila de estas capas 2-D con un ángulo de giro controlable entre cada capa, y son continuos, "Dice Zhao.

La síntesis directa de materiales retorcidos en 2-D permitirá los estudios de la física cuántica novedosa en estos materiales "twistrónicos" en 2-D, que Jin y sus colaboradores están persiguiendo en serio.

"Cuando ves que todo coincide perfectamente con un modelo matemático simple y piensas, 'Guau, esto realmente está funcionando 'ese tipo de alegría es la razón por la que trabajamos en la investigación, ese momento' eureka 'en el que te das cuenta de que ahora estás aprendiendo algo que nadie más ha entendido antes, "Dice Jin.