Alles wat bestaat in de digitale wereld:foto's, tweet, online cursussen, dit artikel—wordt opgeslagen als enen en nullen. Op softwareniveau is deze informatie is geschreven als computercode. Op hardwareniveau is die code wordt tot leven gebracht door miljarden transistors die aan (1) en uit (0) gaan.

Transistors zitten overal in, van computers en smartphones tot mp3-spelers en digitale camera's. Maar de kracht en efficiëntie van transistors wordt beperkt door de materialen die beschikbaar zijn om ze te bouwen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Northeastern University hebben een ontdekking gedaan die een heel nieuw veld opent voor het verkennen van materialen voor transistors, fotodetectoren, flexibele elektronica, en andere toepassingen.

Het werk - onlangs gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang -betreft 2D-kristallen, dat zijn superdunne materialen van slechts een paar atomen lang. Het combineren van twee 2-D kristallen vormt een heterostructuur. Tot nu, natuurkundigen dachten dat 2D-kristallen erg op elkaar moesten lijken, met alle atomen om perfect op één lijn te komen, om een ​​nieuwe heterostructuur te vormen.

"Maar de natuur gooit altijd een curveball naar je, " zegt Arun Bansil, University Distinguished Professor of Physics en een van de auteurs van het artikel.

Universitair hoofddocent Swastik Kar was co-auteur van het artikel met Bansil en andere collega's van Northeastern. Ze zagen voor het eerst dat twee totaal verschillende 2D-kristallen op elkaar kunnen worden gerangschikt, atoom voor atoom, zodanig dat ze bijna perfect in elkaar passen en volledig nieuwe eigenschappen opleveren.

"Het zou zijn als het maken van een clubsandwich, "Zei Kar. "Je kunt iets hebben dat naar brood smaakt en iets dat naar vlees smaakt."

Maar de sleutel, Bansil legt uit, is niet alleen om een ​​broodje samen te stellen waarbij je elke laag apart kunt proeven. "Je wilt wat koken, zodat je wat nieuwe smaken kunt krijgen."

In de wereld van de fysica van de gecondenseerde materie, ontdekken dat twee heel verschillende 2D-kristallen een heterostructuur kunnen vormen, is als het voor het eerst combineren van water en bloem en het maken van deeg. Het maakt plaats voor vrijwel onbeperkte mogelijkheden voor nieuwe 2D-materialen.

Wanneer de natuur autocorrecties uitvoert, 'ontdekking gebeurt'

De ontdekking vond plaats tijdens een experiment waarbij twee ongelijke 2-D-kristallen werden gesynthetiseerd om op elkaar te stapelen. In plaats van daar gewoon te zitten, niet in staat om met elkaar om te gaan omdat ze zo weinig gemeen hebben, de kristallen deden iets onverwachts.

"Ze draaiden gewoon ten opzichte van elkaar, " zei Bansil. Hij demonstreerde door de ene hand op de andere te leggen en in tegengestelde richtingen te draaien.

De onderzoekers ontdekten dat in plaats van willekeurig te groeien, deze kristallen roteren om stabiele en uitgelijnde configuraties te vormen, waardoor nieuwe kristallen kunnen ontstaan.

Deze ontdekking is een voorbeeld van het vermogen van de natuur om "autocorrectie, " waargenomen hier op nanoschaal. Door die automatische herschikking konden de twee materialen bewegen - hun elektronen begonnen met elkaar te praten en nieuw gedrag te vertonen.

De onderzoekers experimenteerden door de uitlijning van de twee lagen verder te veranderen. Ze ontdekten dat bij elke wijziging, de heterostructuur produceerde nieuwe eigenschappen.

"Stel je voor dat je taart had, en toen draaide je het om en het werd een koekje, en je draait het weer en het wordt iets anders, " zei Kar. "Vanuit materieel oogpunt, zo spannend is dit."

Kar's lab is verantwoordelijk voor de synthese en karakterisering van deze materialen. De groep van Bansil is gericht op computationele kwantumtheorie. Onderzoek op het gebied van materialen wordt als sterk beschouwd wanneer theorie en experiment hand in hand gaan, het ene versterkt het andere en vice versa. En dat is precies wat er gebeurde voor Kar en Bansil in dit geval.

"Wat we hebben gevonden, is dat veel nieuw gedrag in ons systeem heel duidelijk kan worden begrepen als we kijken naar de theorie die voortkomt uit de kwantummechanische berekeningen, ' zei Kar.

Dit onderzoek zou kunnen leiden tot nieuwe materialen die de manier veranderen waarop computers de enen en nullen van de digitale wereld opslaan. Omdat de heterostructuur die Kar en zijn collega's hebben gemaakt op zoveel manieren op atomair niveau kan worden gewijzigd, er is een groot potentieel voor schrijven, lezing, wissen, en anderszins informatie te manipuleren. Met andere woorden, het stelt onderzoekers in staat om te veranderen hoe ingrediënten zich gedragen nadat de cake al is gebakken.

"Die mate van controle is heel opwindend, " zei Kar. "Het is net als het Voedselnetwerk in 2D-materialen."