Los investigadores de UC Berkeley y Berkeley Lab crearon un nuevo cristal construido a partir de una pila en espiral de láminas de sulfuro de germanio atómicamente delgadas. Crédito:UC Berkeley imagen de Yin Liu
Con un simple giro de los dedos, se puede crear una hermosa espiral a partir de una baraja de cartas. Del mismo modo, científicos de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han creado nuevos cristales inorgánicos hechos de pilas de láminas atómicamente delgadas que inesperadamente forman una espiral como una baraja de cartas a nanoescala.
Sus sorprendentes estructuras, informó en un nuevo estudio que apareció en línea el miércoles, 20 de junio, en el diario Naturaleza , puede producir ópticas únicas, propiedades electrónicas y térmicas, incluida la superconductividad, dicen los investigadores.
Estos cristales helicoidales están hechos de capas apiladas de sulfuro de germanio, un material semiconductor que, como el grafeno, forma fácilmente láminas que tienen solo unos pocos átomos o incluso un solo átomo de espesor. Estas "nanohojas" se denominan normalmente "materiales bidimensionales".
"Nadie esperaba que los materiales 2-D crecieran de esa manera. Es como un regalo sorpresa, "dijo Jie Yao, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Creemos que puede brindar grandes oportunidades para la investigación de materiales".
Si bien la forma de los cristales puede parecerse a la del ADN, cuya estructura helicoidal es fundamental para su trabajo de transportar información genética, su estructura subyacente es en realidad bastante diferente. A diferencia del ADN "orgánico", que se compone principalmente de átomos familiares como el carbono, oxígeno e hidrógeno, Estos cristales "inorgánicos" están formados por elementos más remotos de la tabla periódica; en este caso, azufre y germanio. Y aunque las moléculas orgánicas a menudo adoptan todo tipo de formas estrafalarias, debido a las propiedades únicas de su componente principal, carbón, Las moléculas inorgánicas tienden más hacia lo recto y lo estrecho.
Para crear las estructuras retorcidas, el equipo aprovechó un defecto de cristal llamado dislocación de tornillo, un "error" en la ordenada estructura cristalina que le da un poco de fuerza de torsión. Este "giro de Eshelby, "nombrado en honor al científico John D. Eshelby, se ha utilizado para crear nanocables que giran en espiral como pinos. Pero este estudio es la primera vez que el Eshelby Twist se ha utilizado para hacer cristales construidos con capas bidimensionales apiladas de un semiconductor atómicamente delgado.
Los cristales helicoidales pueden producir nuevas propiedades sorprendentes, como superconductividad. Crédito:UC Berkeley imagen de Yin Liu
"Generalmente, la gente odia los defectos de un material:quieren tener un cristal perfecto, "dijo Yao, quien también se desempeña como científico de la facultad en Berkeley Lab. "Pero resulta que, esta vez, tenemos que agradecer los defectos. Nos permitieron crear un giro natural entre las capas de material ".
En un gran descubrimiento el año pasado, Los científicos informaron que el grafeno se vuelve superconductor cuando dos láminas atómicamente delgadas del material se apilan y se retuercen en lo que se llama un "ángulo mágico". Mientras que otros investigadores han logrado apilar dos capas a la vez, El nuevo documento proporciona una receta para sintetizar estructuras apiladas que tienen cientos de miles o incluso millones de capas de espesor en forma de torsión continua.
"Observamos la formación de pasos discretos en el cristal retorcido, que transforma el cristal suavemente retorcido en escaleras circulares, un nuevo fenómeno asociado con el mecanismo Eshelby Twist, "dijo Yin Liu, co-primer autor del artículo y estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Es bastante sorprendente cómo la interacción de materiales puede resultar en muchos hermosas geometrías ".
Al ajustar las condiciones y la duración de la síntesis del material, los investigadores pudieron cambiar el ángulo entre las capas, creando una estructura retorcida que es apretada, como un manantial, o suelto, como un Slinky desenrollado. Y aunque el equipo de investigación demostró la técnica mediante el crecimiento de cristales helicoidales de sulfuro de germanio, Probablemente podría usarse para hacer crecer capas de otros materiales que forman capas similares atómicamente delgadas.
Micrografía de nanoalambre con giro Eshelby (recuadro) que creció espontáneamente en una estructura similar al ADN a microescala. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
"La estructura retorcida surge de una competencia entre la energía almacenada y el costo energético de deslizar dos capas de material entre sí, "dijo Daryl Chrzan, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y teórico principal del artículo. "No hay razón para esperar que esta competencia se limite al sulfuro de germanio, y estructuras similares deberían ser posibles en otros sistemas de materiales 2-D ".
"El comportamiento retorcido de estos materiales en capas, típicamente con solo dos capas retorcidas en diferentes ángulos, ya ha mostrado un gran potencial y ha atraído mucha atención de las comunidades de física y química. Ahora, se vuelve muy intrigante descubrirlo, con todas estas capas retorcidas combinadas en nuestro nuevo material, si mostrarán propiedades materiales bastante diferentes a las del apilamiento regular de estos materiales, "Dijo Yao." Pero en este momento, tenemos un conocimiento muy limitado de cuáles podrían ser estas propiedades, porque esta forma de material es tan nueva. Nos esperan nuevas oportunidades ".
