Met een simpele draai van de vingers, men kan een mooie spiraal maken van een pak kaarten. Op dezelfde manier, wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben nieuwe anorganische kristallen gemaakt van stapels atomair dunne vellen die onverwacht spiraalsgewijs als een kaartspel op nanoschaal draaien.

Hun verrassende structuren, gerapporteerd in een nieuwe studie die woensdag online verschijnt, 20 juni in het journaal Natuur , kan unieke optische, elektronische en thermische eigenschappen, inclusief supergeleiding, zeggen de onderzoekers.

Deze spiraalvormige kristallen zijn gemaakt van gestapelde lagen germaniumsulfide, een halfgeleidermateriaal dat zoals grafeen, vormt gemakkelijk vellen die slechts een paar atomen of zelfs een enkel atoom dik zijn. Dergelijke "nanovellen" worden gewoonlijk "2-D-materialen" genoemd.

"Niemand had verwacht dat 2D-materialen op zo'n manier zouden groeien. Het is als een verrassingsgeschenk, " zei Jie Yao, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan UC Berkeley. "Wij geloven dat dit geweldige kansen kan bieden voor materiaalonderzoek."

Hoewel de vorm van de kristallen lijkt op die van DNA, wiens spiraalvormige structuur van cruciaal belang is voor zijn taak om genetische informatie te dragen, hun onderliggende structuur is eigenlijk heel anders. In tegenstelling tot "organisch" DNA, die voornamelijk is opgebouwd uit bekende atomen zoals koolstof, zuurstof en waterstof, deze "anorganische" kristallen zijn opgebouwd uit meer verafgelegen elementen van het periodiek systeem - in dit geval zwavel en germanium. En hoewel organische moleculen vaak allerlei gekke vormen aannemen, vanwege de unieke eigenschappen van hun primaire component, koolstof, anorganische moleculen neigen meer naar het rechte en smalle.

Om de gedraaide structuren te creëren, het team profiteerde van een kristaldefect genaamd een schroefdislocatie, een "fout" in de ordelijke kristalstructuur die het een beetje een draaiende kracht geeft. Deze "Eshelby Twist, " genoemd naar wetenschapper John D. Eshelby, is gebruikt om nanodraden te maken die als pijnbomen spiraalvormig zijn. Maar deze studie is de eerste keer dat de Eshelby Twist is gebruikt om kristallen te maken die zijn opgebouwd uit gestapelde 2D-lagen van een atomair dunne halfgeleider.

"Gebruikelijk, mensen hebben een hekel aan defecten in een materiaal - ze willen een perfect kristal hebben, " zei Yao, die ook dienst doet als faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab. "Maar het blijkt dat deze keer, we moeten de gebreken bedanken. Ze lieten ons toe om een ​​natuurlijke twist te creëren tussen de materiaallagen."

Bij een grote ontdekking vorig jaar, wetenschappers meldden dat grafeen supergeleidend wordt wanneer twee atomair dunne vellen van het materiaal worden gestapeld en gedraaid onder een zogenaamde 'magische hoek'. Terwijl andere onderzoekers erin zijn geslaagd om twee lagen tegelijk te stapelen, het nieuwe papier biedt een recept voor het synthetiseren van gestapelde structuren die honderdduizenden of zelfs miljoenen lagen dik zijn op een continu draaiende manier.

"We hebben de vorming van discrete stappen in het gedraaide kristal waargenomen, die het soepel gedraaide kristal transformeert in cirkelvormige trappen, een nieuw fenomeen geassocieerd met het Eshelby Twist-mechanisme, " zei Yin Liu, co-eerste auteur van het papier en een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek aan UC Berkeley. "Het is verbazingwekkend hoe samenspel van materialen kan resulteren in veel verschillende, mooie geometrieën."

Door de materiële synthesevoorwaarden en lengte aan te passen, de onderzoekers konden de hoek tussen de lagen veranderen, het creëren van een gedraaide structuur die strak is, als een veer, of los, als een ontrolde Slinky. En terwijl het onderzoeksteam de techniek demonstreerde door spiraalvormige kristallen van germaniumsulfide te laten groeien, het zou waarschijnlijk kunnen worden gebruikt om lagen van andere materialen te laten groeien die vergelijkbare atomair dunne lagen vormen.

"De verwrongen structuur komt voort uit een competitie tussen opgeslagen energie en de energiekosten van het verschuiven van twee materiaallagen ten opzichte van elkaar, " zei Daryl Chrzan, voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering en senior theoreticus op het papier. "Er is geen reden om te verwachten dat deze concurrentie beperkt is tot germaniumsulfide, en soortgelijke structuren moeten mogelijk zijn in andere 2D-materiaalsystemen."

"Het verwrongen gedrag van deze gelaagde materialen, meestal met slechts twee lagen die onder verschillende hoeken zijn gedraaid, heeft al een groot potentieel getoond en veel aandacht getrokken van de natuurkunde- en scheikundegemeenschappen. Nutsvoorzieningen, het wordt zeer intrigerend om erachter te komen, met al deze gedraaide lagen gecombineerd in ons nieuwe materiaal, of zullen ze heel andere materiaaleigenschappen vertonen dan het reguliere stapelen van deze materialen, " zei Yao. "Maar op dit moment, we hebben een zeer beperkt begrip van wat deze eigenschappen zouden kunnen zijn, omdat deze vorm van materiaal zo nieuw is. Er wachten ons nieuwe kansen."