Durante décadas, los científicos han estado investigando el potencial de los materiales bidimensionales para transformar nuestro mundo. Los materiales 2D tienen solo una capa de átomos de espesor. Dentro de ellos, las partículas subatómicas como los electrones sólo pueden moverse en dos dimensiones. Esta simple restricción puede desencadenar un comportamiento inusual de los electrones, imbuyendo a los materiales de propiedades "exóticas" como formas extrañas de magnetismo, superconductividad y otros comportamientos colectivos entre los electrones, todo lo cual podría ser útil en informática, comunicación, energía y otros campos.
Pero los investigadores generalmente han asumido que estas exóticas propiedades 2D existen sólo en láminas de una sola capa o en pilas cortas. Las llamadas versiones "a granel" de estos materiales (con sus estructuras atómicas tridimensionales más complejas) deberían comportarse de manera diferente.
O eso pensaban.
En un artículo publicado el 19 de julio en Nature , un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Washington informa que es posible imbuir al grafito (el material 3D en masa que se encuentra en los lápices número 2) con propiedades físicas similares a las de su homólogo 2D, el grafeno. Este avance no sólo fue inesperado, sino que el equipo también cree que su enfoque podría usarse para probar si tipos similares de materiales a granel también pueden adquirir propiedades similares a las 2D. Si es así, las láminas 2D no serán la única fuente para que los científicos impulsen las revoluciones tecnológicas. Los materiales 3D a granel podrían ser igual de útiles.
"Apilar una sola capa sobre una sola capa, o dos capas sobre dos capas, ha sido el enfoque para desbloquear nueva física en materiales 2D durante varios años. En estos enfoques experimentales, ahí es donde emergen muchas propiedades interesantes", dijo el autor principal Matthew Yankowitz. Profesor asistente de física y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. "¿Pero qué pasa si sigues añadiendo capas? Al final esto tiene que parar, ¿verdad? Eso es lo que sugiere la intuición. Pero en este caso, la intuición está equivocada. Es posible mezclar propiedades 2D con materiales 3D".
El equipo, que también incluye investigadores de la Universidad de Osaka y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, adaptó un enfoque comúnmente utilizado para probar y manipular las propiedades de materiales 2D:apilar láminas 2D juntas en un pequeño ángulo de torsión. Yankowitz y sus colegas colocaron una sola capa de grafeno encima de un cristal de grafito delgado y voluminoso y luego introdujeron un ángulo de torsión de aproximadamente 1 grado entre el grafito y el grafeno. Detectaron propiedades eléctricas novedosas e inesperadas no sólo en la interfaz retorcida, sino también en lo profundo del grafito a granel.
El ángulo de torsión es fundamental para generar estas propiedades, dijo Yankowitz, quien también es miembro de la facultad del Instituto de Energía Limpia y del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la Universidad de Washington. Un ángulo de torsión entre láminas 2D, como dos láminas de grafeno, crea lo que se llama un patrón muaré, que altera el flujo de partículas cargadas como electrones e induce propiedades exóticas en el material.
En los experimentos dirigidos por la Universidad de Washington con grafito y grafeno, el ángulo de torsión también indujo un patrón muaré, con resultados sorprendentes. Aunque solo una hoja de grafeno encima del cristal estaba torcida, los investigadores descubrieron que las propiedades eléctricas de todo el material diferían notablemente del grafito típico. Y cuando activaron un campo magnético, los electrones en lo profundo del cristal de grafito adoptaron propiedades inusuales similares a las de los electrones en la interfaz retorcida.
Esencialmente, la interfaz grafeno-grafito de una sola torsión se mezcló inextricablemente con el resto del grafito a granel.
"Aunque estábamos generando el patrón muaré sólo en la superficie del grafito, las propiedades resultantes se extendían por todo el cristal", dijo el coautor principal Dacen Waters, investigador postdoctoral en física de la Universidad de Washington.
Para las láminas 2D, los patrones muaré generan propiedades que podrían ser útiles para la computación cuántica y otras aplicaciones. Inducir fenómenos similares en materiales 3D abre nuevos enfoques para estudiar estados inusuales y exóticos de la materia y cómo sacarlos del laboratorio y llevarlos a nuestra vida cotidiana.
"Todo el cristal adopta este estado 2D", dijo el coautor principal Ellis Thompson, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Washington. "Esta es una forma fundamentalmente nueva de afectar el comportamiento de los electrones en un material a granel."
Yankowitz y su equipo creen que su enfoque de generar un ángulo de torsión entre el grafeno y un cristal de grafito a granel podría usarse para crear híbridos 2D-3D de sus materiales hermanos, incluidos el diteluuro de tungsteno y el pentateluro de circonio. Esto podría desbloquear un nuevo enfoque para rediseñar las propiedades de los materiales a granel convencionales utilizando una única interfaz 2D.
"Este método podría convertirse en un campo de juego realmente rico para estudiar nuevos y apasionantes fenómenos físicos en materiales con propiedades mixtas 2D y 3D", afirmó Yankowitz.
Más información: Matthew Yankowitz, Sistemas muaré de dimensiones mixtas de películas finas de grafito retorcido, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Washington
