Los científicos de la Universidad de Bath han dado un paso importante hacia la comprensión de la interacción entre capas de materiales atómicamente delgados dispuestos en pilas. Esperan que su investigación acelere el descubrimiento de nuevos materiales artificiales, conduciendo al diseño de componentes electrónicos que son mucho más pequeños y eficientes que cualquier otro conocido hoy en día.

Lo más pequeño es siempre mejor en el mundo de los circuitos electrónicos, pero hay un límite en la medida en que puede encoger un componente de silicio sin que se sobrecaliente y se deshaga, y estamos cerca de alcanzarlo. Los investigadores están investigando un grupo de materiales atómicamente delgados que se pueden ensamblar en pilas. Las propiedades de cualquier material final dependen tanto de la elección de las materias primas como del ángulo en el que se coloca una capa sobre otra.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski quien dirigió la investigación del Departamento de Física, dijo:"Hemos encontrado una manera de determinar con qué fuerza se acoplan entre sí los átomos en diferentes capas de una pila, y hemos demostrado la aplicación de nuestra idea a una estructura hecha de capas de grafeno ".

La investigación de Bath, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , se basa en trabajos anteriores sobre grafeno, un cristal caracterizado por láminas delgadas de átomos de carbono dispuestas en un diseño de panal. En 2018, Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) descubrieron que cuando dos capas de grafeno se apilan y luego se retuercen entre sí por el ángulo 'mágico' de 1,1 °, producen un material con propiedades superconductoras. Esta fue la primera vez que los científicos crearon un material superconductor hecho puramente de carbono. Sin embargo, estas propiedades desaparecieron con el menor cambio de ángulo entre las dos capas de grafeno.

Desde el descubrimiento del MIT, Los científicos de todo el mundo han intentado aplicar este fenómeno de "apilamiento y torsión" a otros materiales ultrafinos. colocando juntas dos o más estructuras atómicamente diferentes con la esperanza de formar materiales completamente nuevos con cualidades especiales.

"En naturaleza, no puede encontrar materiales donde cada capa atómica sea diferente, "dijo el Dr. Mucha-Kruczynski." Además, Normalmente, dos materiales solo se pueden unir de una manera específica porque es necesario que se formen enlaces químicos entre las capas. Pero para materiales como el grafeno, solo los enlaces químicos entre átomos en el mismo plano son fuertes. Las fuerzas entre planos, conocidas como interacciones de van der Waals, son débiles, y esto permite que las capas de material se retuerzan entre sí ".

El desafío para los científicos ahora es hacer que el proceso de descubrimiento de nuevos materiales en capas lo más eficientes posible. Al encontrar una fórmula que les permita predecir el resultado cuando se apilan dos o más materiales, podrán agilizar enormemente su investigación.

Es en esta área donde el Dr. Mucha-Kruczynski y sus colaboradores en la Universidad de Oxford, La Universidad de Pekín y el Sincrotrón ELETTRA en Italia esperan marcar la diferencia.

"El número de combinaciones de materiales y el número de ángulos en los que se pueden torcer es demasiado grande para probarlo en el laboratorio, entonces lo que podemos predecir es importante, "dijo el Dr. Mucha-Kruczynski.

Los investigadores han demostrado que la interacción entre dos capas se puede determinar mediante el estudio de una estructura de tres capas donde se ensamblan dos capas como puede encontrar en la naturaleza. mientras que el tercero está retorcido. Utilizaron espectroscopia de fotoemisión de resolución angular, un proceso en el que una luz potente expulsa electrones de la muestra para poder medir la energía y el momento de los electrones. proporcionando así información sobre las propiedades del material, para determinar la fuerza con la que se acoplan dos átomos de carbono a una distancia determinada entre sí. También han demostrado que su resultado se puede utilizar para predecir las propiedades de otras pilas hechas de las mismas capas, incluso si los giros entre capas son diferentes.

La lista de materiales conocidos atómicamente delgados como el grafeno está creciendo todo el tiempo. Ya incluye docenas de entradas que muestran una amplia gama de propiedades, del aislamiento a la superconductividad, transparencia a la actividad óptica, fragilidad a la flexibilidad. El último descubrimiento proporciona un método para determinar experimentalmente la interacción entre capas de cualquiera de estos materiales. Esto es esencial para predecir las propiedades de pilas más complicadas y para el diseño eficiente de nuevos dispositivos.

El Dr. Mucha-Kruczynski cree que podrían pasar 10 años antes de que los nuevos materiales apilados y retorcidos encuentren una solución práctica, aplicación diaria. "El grafeno tardó una década en pasar del laboratorio a algo útil en el sentido habitual, así que con un toque de optimismo, Espero que se aplique un cronograma similar a los nuevos materiales, " él dijo.

Sobre la base de los resultados de su último estudio, El Dr. Mucha-Kruczynski y su equipo ahora se están enfocando en pilas retorcidas hechas de capas de dicalcogenuros de metales de transición (un gran grupo de materiales con dos tipos de átomos muy diferentes:un metal y un calcógeno, como azufre). Algunas de estas pilas han mostrado un comportamiento electrónico fascinante que los científicos aún no pueden explicar.

"Porque estamos tratando con dos materiales radicalmente diferentes, estudiar estas pilas es complicado, "explicó el Dr. Mucha-Kruczynski." Sin embargo, esperamos que, con el tiempo, podamos predecir las propiedades de varias pilas, y diseñar nuevos materiales multifuncionales ".