En años recientes, Los ingenieros han encontrado formas de modificar las propiedades de algunos materiales "bidimensionales", que tienen solo uno o unos pocos átomos de espesor, apilando dos capas juntas y girando una ligeramente en relación con la otra. Esto crea lo que se conoce como patrones muaré, donde pequeños cambios en la alineación de los átomos entre las dos hojas crean patrones a mayor escala. También cambia la forma en que los electrones se mueven a través del material, de formas potencialmente útiles.

Pero para aplicaciones prácticas, Estos materiales bidimensionales deben conectarse en algún momento con el mundo ordinario de los materiales tridimensionales. Un equipo internacional dirigido por investigadores del MIT ha ideado una forma de visualizar lo que sucede en estas interfaces, hasta el nivel de átomos individuales, y de correlacionar los patrones de muaré en el límite 2-D-3-D con los cambios resultantes en las propiedades del material.

Los nuevos hallazgos se describen hoy en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Kate Reidy y Georgios Varnavides, profesores de ciencia e ingeniería de materiales Frances Ross, Jim LeBeau, y Polina Anikeeva, y otros cinco en el MIT, Universidad Harvard, y la Universidad de Victoria en Canadá.

Los pares de materiales bidimensionales como el grafeno o el nitruro de boro hexagonal pueden exhibir variaciones asombrosas en su comportamiento cuando las dos hojas están ligeramente torcidas entre sí. Eso hace que las celosías atómicas en forma de alambre de gallinero formen patrones muaré, los tipos de bandas y manchas extrañas que a veces aparecen al tomar una fotografía de una imagen impresa, oa través de una pantalla de ventana. En el caso de materiales 2-D, "parece cualquier cosa, todas las propiedades de materiales interesantes que pueda imaginar, de alguna manera puede modular o cambiar girando los materiales 2-D entre sí, "dice Ross, quien es la profesora Ellen Swallow Richards en el MIT.

Si bien estos emparejamientos 2-D han atraído la atención científica en todo el mundo, ella dice, Se sabe poco acerca de lo que sucede cuando los materiales 2-D se encuentran con los sólidos tridimensionales regulares. "¿Qué nos interesó en este tema? "Ross dice, era "lo que sucede cuando se juntan un material 2-D y un material 3-D. En primer lugar, ¿Cómo se miden las posiciones atómicas en, y cerca, ¿La interfaz? En segundo lugar, ¿Cuáles son las diferencias entre una interfaz 3-D-2-D y una 2-D-2-D? Y en tercer lugar, ¿Cómo se puede controlar? ¿Hay alguna manera de diseñar deliberadamente la estructura interfacial "para producir las propiedades deseadas?

Averiguar exactamente qué sucede en tales interfaces 2-D-3-D fue un desafío abrumador porque los microscopios electrónicos producen una imagen de la muestra en proyección, y tienen una capacidad limitada para extraer la información de profundidad necesaria para analizar los detalles de la estructura de la interfaz. Pero el equipo descubrió un conjunto de algoritmos que les permitieron extrapolar a partir de imágenes de la muestra, que se parecen un poco a un conjunto de sombras superpuestas, para averiguar qué configuración de capas apiladas produciría esa compleja "sombra".

El equipo utilizó dos microscopios electrónicos de transmisión únicos en el MIT que permiten una combinación de capacidades que no tiene rival en el mundo. En uno de estos instrumentos, un microscopio se conecta directamente a un sistema de fabricación para que las muestras se puedan producir en el sitio mediante procesos de deposición y se introduzcan inmediatamente directamente en el sistema de imágenes. Esta es una de las pocas instalaciones de este tipo en todo el mundo, que utilizan un sistema de vacío ultra alto que evita que incluso las impurezas más pequeñas contaminen la muestra mientras se prepara la interfaz 2-D-3-D. El segundo instrumento es un microscopio electrónico de transmisión de barrido ubicado en las nuevas instalaciones de investigación del MIT, MIT.nano. Este microscopio tiene una estabilidad excepcional para imágenes de alta resolución, así como múltiples modos de obtención de imágenes para recopilar información sobre la muestra.

A diferencia de los materiales bidimensionales apilados, cuyas orientaciones se pueden cambiar con relativa facilidad simplemente levantando una capa, torciéndolo un poco, y colocándolo de nuevo, los enlaces que mantienen unidos los materiales 3-D son mucho más fuertes, por lo que el equipo tuvo que desarrollar nuevas formas de obtener capas alineadas. Para hacer esto, agregaron el material 3-D al material 2-D en vacío ultra alto, eligiendo condiciones de crecimiento donde las capas se autoensamblaron en una orientación reproducible con grados específicos de torsión. "Teníamos que desarrollar una estructura que se alineara de cierta manera, "Dice Reidy.

Habiendo cultivado los materiales, luego tuvieron que descubrir cómo revelar las configuraciones y orientaciones atómicas de las diferentes capas. Un microscopio electrónico de barrido de transmisión en realidad produce más información de la que se ve en una imagen plana; De hecho, cada punto de la imagen contiene detalles de las rutas por las que los electrones llegaron y partieron (el proceso de difracción), así como cualquier energía que los electrones perdieran en el proceso. Todos estos datos se pueden separar para que la información en todos los puntos de una imagen se pueda utilizar para decodificar la estructura sólida real. Este proceso solo es posible para microscopios de última generación, como el del MIT.nano, que genera una sonda de electrones que es inusualmente estrecha y precisa.

Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas llamadas 4-D STEM y contraste de fase diferencial integrado para lograr ese proceso de extraer la estructura completa en la interfaz de la imagen. Luego, Varnavides dice:ellos preguntaron, "Ahora que podemos visualizar la estructura completa en la interfaz, ¿Qué significa esto para nuestra comprensión de las propiedades de esta interfaz? ”Los investigadores demostraron mediante modelos que se espera que las propiedades electrónicas se modifiquen de una manera que solo puede entenderse si la estructura completa de la interfaz se incluye en la teoría física. "Lo que encontramos es que, de hecho, este apilamiento, la forma en que los átomos se apilan fuera del plano, modula las propiedades electrónicas y de densidad de carga, " él dice.

Ross dice que los hallazgos podrían ayudar a mejorar los tipos de uniones en algunos microchips, por ejemplo. "Cada material 2-D que se utiliza en un dispositivo tiene que existir en el mundo 3-D, por lo que tiene que tener una unión de alguna manera con materiales tridimensionales, "dice ella. Entonces, con esta mejor comprensión de esas interfaces, y nuevas formas de estudiarlos en acción, "Estamos en buena forma para hacer estructuras con propiedades deseables de una manera planificada en lugar de ad hoc".

"La metodología utilizada tiene el potencial de calcular a partir de los patrones de difracción locales adquiridos la modulación del momento electrónico local, " él dice, y agregó que "la metodología y la investigación que se muestran aquí tienen un futuro sobresaliente y un gran interés para la comunidad científica de materiales".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.