Wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben een manier ontdekt om de groei van draaien, microscopisch kleine spiralen van materialen van slechts één atoom dik.

De continu draaiende stapels van tweedimensionale materialen, gebouwd door een team onder leiding van UW-Madison, chemieprofessor Song Jin, creëren nieuwe eigenschappen die wetenschappers kunnen gebruiken om kwantumfysica op nanoschaal te bestuderen. De onderzoekers publiceerden hun werk vandaag in het tijdschrift Wetenschap .

"Dit is de huidige grens van 2-D materiaalonderzoek. In de afgelopen jaren is wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat wanneer je een kleine draai maakt tussen atomaire lagen - meestal een paar graden - je zeer interessante fysieke eigenschappen creëert, zoals onconventionele supergeleiding. Bijvoorbeeld, het gedraaide materiaal verliest zijn elektrische weerstand volledig bij de lage temperatuur, ", zegt Jin. "Onderzoekers beschouwen deze 2-D-kwantummaterialen als en noem dergelijk werk 'twistronics'."

Yuzhou Zhao, een afgestudeerde student en eerste auteur van de studie, zegt dat de standaardpraktijk voor het maken van draaiende tweedimensionale structuren het mechanisch op elkaar stapelen van twee vellen van de dunne materialen is en de draaihoek ertussen zorgvuldig met de hand regelen. Maar als onderzoekers deze 2D-materialen rechtstreeks laten groeien, ze kunnen de draaihoek niet controleren omdat de interacties tussen de lagen erg zwak zijn.

"Stel je voor dat je een stapel continu draaiende speelkaarten maakt. Als je lenige vingers hebt, je zou de kaarten kunnen verdraaien, maar onze uitdaging is hoe we de atomaire lagen op een beheersbare manier kunnen laten draaien op nanoschaal, "zegt Jin.

Het team van Jin ontdekte hoe de groei van deze kronkelende structuren op nanoschaal kon worden gecontroleerd door buiten de vlakke ruimte van de Euclidische geometrie te denken.

Euclidische meetkunde vormt de wiskundige basis van de wereld waarmee we vertrouwd zijn. Het stelt ons in staat om over de wereld na te denken in platte vlakken, rechte lijnen en rechte hoeken. In tegenstelling tot, niet-euclidische meetkunde beschrijft gekromde ruimten waarin lijnen gekromd zijn en de som van de hoeken in een vierkant niet 360 graden is. Wetenschappelijke theorieën die het ruimte-tijd continuüm verklaren, zoals de algemene relativiteitstheorie van Einstein, gebruik niet-euclidische meetkunde als fundament. Nadenken over kristalstructuren buiten de Euclidische meetkunde, Jin zegt, opent intrigerende nieuwe mogelijkheden.

Zhao en Jin creëerden gedraaide spiralen door gebruik te maken van een soort imperfectie in groeiende kristallen die schroefdislocaties worden genoemd. Jin heeft jarenlang dergelijke door dislocatie aangedreven kristalgroei bestudeerd en had het gebruikt om uit te leggen, bijvoorbeeld, de groei van nanodraadbomen. Bij 2D-materialen, de dislocaties zorgen voor een opstapje voor de volgende lagen van de structuur, aangezien deze spiraalvormig is als een parkeerhelling waarbij alle lagen door de hele stapel verbonden zijn, het uitlijnen van de oriëntatie van elke laag.

Vervolgens, om een ​​niet-euclidische spiraalstructuur te laten groeien en de spiralen te laten draaien, Het team van Jin veranderde de basis waarop hun spiralen groeiden. In plaats van kristallen op een plat vlak te laten groeien, Zhao plaatste een nanodeeltje, als een deeltje siliciumoxide, onder het centrum van de spiraal. Tijdens het groeiproces het deeltje verstoort het platte oppervlak en creëert een gebogen basis waarop het 2-D-kristal kan groeien.

Wat het team ontdekte, is dat in plaats van een uitgelijnde spiraal waarbij de rand van elke laag evenwijdig aan de vorige laag ligt, het 2-D kristal vormt een continu draaiende, meerlagige spiraal die voorspelbaar van de ene laag naar de volgende draait. De hoek van de tussenlaagse twist komt voort uit een mismatch tussen de platte (Euclidische) 2-D kristallen en de gebogen (niet-Euclidische) oppervlakken waarop ze groeien.

Zhao noemt het patroon waarin de spiraalstructuur direct boven het nanodeeltje groeit, het creëren van een kegelvormige basis, een "vastgemaakte spiraal." Wanneer de structuur over een excentrisch nanodeeltje groeit, als een huis tegen een berg gebouwd, het is een "losgemaakt spiraal" patroon. Zhao ontwikkelde een eenvoudig wiskundig model om de draaihoeken van spiralen te voorspellen, gebaseerd op de geometrische vorm van het gebogen oppervlak, en zijn gemodelleerde spiraalvormen passen goed bij de gegroeide structuren.

Na de eerste ontdekking, UW-Madison professor materiaalkunde en techniek Paul Voyles en zijn student Chenyu Zhang bestudeerden de spiralen onder een elektronenmicroscoop om de uitlijning van de atomen in deze gedraaide spiralen te bevestigen. Hun afbeeldingen toonden aan dat atomen in aangrenzende gedraaide lagen een verwacht overlappend interferentiepatroon vormen dat een moirépatroon wordt genoemd, die ook fijn gelaagde zijden kleding zijn glans en rimpeling geeft. Emeritus scheikundeprofessor John Wright en zijn laboratorium voerden voorbereidende studies uit die het potentieel voor ongebruikelijke optische eigenschappen van de draaiende spiralen suggereerden.

De onderzoekers gebruikten overgangsmetaaldichalcogeniden als de lagen voor de draaiende spiralen, maar het concept is niet afhankelijk van specifieke materialen, zolang het maar 2D-materialen zijn.

"We kunnen nu een rationeel model volgen dat geworteld is in de wiskunde om een ​​stapel van deze 2D-lagen te maken met een regelbare draaihoek tussen elke laag, en ze zijn continu, ' Zegt Zhao.

Directe synthese van draaiende 2D-materialen zal de studies van nieuwe kwantumfysica in deze 2D "twistronische" materialen mogelijk maken, die Jin en zijn medewerkers serieus nastreven.

"Als je ziet dat alles perfect overeenkomt met een eenvoudig wiskundig model en je denkt, 'Wauw, dit gaat echt lukken, ' dat soort vreugde is waarom we aan onderzoek werken - dat 'eureka'-moment dat je je realiseert dat je nu iets leert dat niemand anders eerder heeft begrepen, "zegt Jin.