Dos láminas de carbono atómicamente delgadas apiladas una encima de la otra, llamado grafeno bicapa, exhiben propiedades únicas cuando una de las capas se retuerce en un cierto ángulo, un ángulo "mágico". El estudio de la magia y otras desalineaciones de ángulos entre dos capas de material y sus efectos sobre las propiedades del material se ha denominado twistronics, un campo en rápida expansión de la física de la materia condensada.

Para llevar twistronics a la macroescala, un equipo de investigadores de Penn State ha diseñado un equivalente acústico del grafeno bicapa de ángulo mágico. Su trabajo fue aceptado recientemente en Revisión física B:Comunicaciones rápidas .

"Examinar los conceptos análogos de la física de la materia condensada puede darnos nuevas ideas y aplicaciones en acústica, "dijo Yun Jing, profesor asociado de acústica e ingeniería biomédica.

En una simulación, El equipo de investigación construyó el diseño acústico a partir de una placa plana que contiene un patrón hexagonal de agujeros análogo a la disposición de los átomos en el grafeno a nanoescala. Agregaron otra capa de placa similar al grafeno, alineando las placas pero dejando un espacio de aire vertical entre las dos, y torció la placa superior. Este giro creó un patrón Moiré característico, también visto en el grafeno de ángulo mágico típico, resultante de dos patrones similares superpuestos donde uno está ligeramente girado o desplazado.

Luego, los investigadores simularon el movimiento de las ondas sonoras dentro de la matriz. Descubrieron que a medida que las ondas se propagaban entre las placas en ciertos ángulos de torsión, energía acústica concentrada alrededor de áreas específicas del patrón de Moiré donde los agujeros en las capas superior e inferior se alinean. Este comportamiento, los investigadores dijeron, reflejó el comportamiento de los electrones en el grafeno de ángulo mágico a escala atómica.

"Los electrones que se mueven a través de materiales como el grafeno son matemáticamente similares a las ondas acústicas que se mueven a través del aire entre estructuras repetitivas, "dijo Yuanchen Deng, estudiante de doctorado en acústica.

Estas similitudes pueden ayudar a los investigadores a explorar teóricamente otras aplicaciones del grafeno de ángulo mágico convencional sin las restricciones que conlleva experimentar con él. dijo el equipo. Su sistema acústico sería más fácil de fabricar en un laboratorio porque no está diseñado a nanoescala, Jing dijo:y el giro sería más fácil de controlar dado el tamaño más grande de la muestra.

Los investigadores también encontraron que su configuración creaba nuevas posibilidades para explorar ángulos mágicos, para lo cual la investigación existente se ha centrado en ángulos pequeños por debajo de tres grados. Los investigadores pudieron manipular la distancia entre las placas de grafeno para controlar el ángulo mágico, algo extremadamente difícil para el grafeno de ángulo mágico a nanoescala. Los investigadores encontraron que su desarrollo produjo un número mucho mayor de ángulos mágicos de lo que se pensaba anteriormente.

"Con un ángulo de giro mayor, podemos reducir el tamaño de la estructura, "Dijo Jing." Las muestras serán más fáciles de simular y eventualmente fabricar ".

La concentración de energía de las olas en ciertas ubicaciones de la matriz de grafeno acústico podría tener aplicaciones para la recolección de energía. Si las placas de grafeno están diseñadas para ser piezoeléctricas en las regiones donde está confinada la energía acústica, podrían convertir la energía mecánica de las vibraciones de ondas acústicas en energía eléctrica. Con más investigación, El grafeno acústico de ángulo mágico podría volverse adecuado para recolectar energía en una variedad de escenarios.

Los investigadores planean examinar más posibilidades para el grafeno de ángulo mágico acústico, así como ampliar su investigación en áreas relacionadas con diferentes tipos de ondas.

"Al incorporar esta configuración de dos capas a la escala macroscópica, puedes experimentar con diferentes estructuras y ondas, ", Dijo Deng." Nuestro sistema es acústico, pero puede proporcionar retroalimentación para cualquier sistema que utilice funciones matemáticas similares a las ecuaciones de onda ".