Gli scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison hanno scoperto un modo per controllare la crescita della torsione, spirali microscopiche di materiali dello spessore di un solo atomo.

Le pile di materiali bidimensionali che si attorcigliano continuamente, costruite da un team guidato dal professore di chimica UW-Madison Song Jin, creano nuove proprietà che gli scienziati possono sfruttare per studiare la fisica quantistica su scala nanometrica. I ricercatori hanno pubblicato oggi il loro lavoro sulla rivista Scienza .

"Questa è l'attuale frontiera della ricerca sui materiali 2-D. Negli ultimi anni, gli scienziati si sono resi conto che quando si effettua una piccola torsione tra gli strati atomici, di solito di pochi gradi, si creano proprietà fisiche molto interessanti, come la superconduttività non convenzionale. Per esempio, il materiale attorcigliato perde completamente la sua resistenza elettrica alla bassa temperatura, " dice Jin. "I ricercatori considerano questi materiali quantistici 2-D, e chiamiamo questo lavoro 'twistronics'".

Yuzhou Zhao, uno studente laureato e primo autore dello studio, afferma che la pratica standard per realizzare strutture bidimensionali a torsione è stata quella di impilare meccanicamente due fogli di materiali sottili uno sopra l'altro e controllare attentamente l'angolo di torsione tra loro a mano. Ma quando i ricercatori coltivano direttamente questi materiali 2-D, non possono controllare l'angolo di torsione perché le interazioni tra gli strati sono molto deboli.

"Immagina di creare una pila di carte da gioco che si attorcigliano continuamente. Se hai dita agili, potresti girare le carte, ma la nostra sfida è come far ruotare gli strati atomici in modo controllabile da soli su scala nanometrica, " dice Jin.

Il team di Jin ha scoperto come controllare la crescita di queste strutture tortuose su nanoscala pensando al di fuori dello spazio piatto della geometria euclidea.

La geometria euclidea costituisce la base matematica del mondo che conosciamo. Ci permette di pensare al mondo in piani, rette e angoli retti. In contrasto, la geometria non euclidea descrive spazi curvi in ​​cui le linee sono curve e la somma degli angoli in un quadrato non è 360 gradi. Teorie scientifiche che spiegano il continuum spazio-temporale, come la relatività generale di Einstein, utilizzare la geometria non euclidea come fondamento. Pensando a strutture cristalline al di fuori della geometria euclidea, Jin dice, apre intriganti nuove possibilità.

Zhao e Jin hanno creato spirali attorcigliate sfruttando un tipo di imperfezione nei cristalli in crescita chiamata dislocazioni a vite. Jin ha studiato per anni tale crescita di cristalli guidata dalla dislocazione e l'ha usata per spiegare, Per esempio, la crescita di alberi di nanofili. Nei materiali 2-D, le dislocazioni forniscono un gradino per seguire gli strati della struttura mentre si snoda a spirale come una rampa di parcheggio con tutti gli strati in tutto lo stack collegati, allineando l'orientamento di ogni livello.

Quindi, per far crescere una struttura a spirale non euclidea e far attorcigliare le spirali, La squadra di Jin ha cambiato le fondamenta da cui sono cresciute le loro spirali. Invece di far crescere cristalli su un piano piatto, Zhao ha posizionato una nanoparticella, come una particella di ossido di silicio, sotto il centro della spirale. Durante il processo di crescita, la particella interrompe la superficie piana e crea una base curva su cui crescere il cristallo 2-D.

Quello che il team ha scoperto è che invece di una spirale allineata in cui il bordo di ogni strato è parallelo allo strato precedente, il cristallo 2-D forma una torsione continua, spirale multistrato che si attorciglia prevedibilmente da uno strato all'altro. L'angolo di torsione dell'interstrato deriva da una mancata corrispondenza tra i cristalli 2-D piatti (euclidea) e le superfici curve (non euclidee) su cui crescono.

Zhao chiama il modello in cui la struttura a spirale cresce direttamente sopra la nanoparticella, creando una base a forma di cono, una "spirale fissa". Quando la struttura cresce su una nanoparticella decentrata, come una casa costruita sul fianco di un monte, è un modello a "spirale non fissata". Zhao ha sviluppato un semplice modello matematico per prevedere gli angoli di torsione delle spirali, in base alla forma geometrica della superficie curva, e le sue forme a spirale modellate si abbinano bene alle strutture cresciute.

Dopo la prima scoperta, Il professore di scienza dei materiali e ingegneria della UW-Madison Paul Voyles e il suo studente Chenyu Zhang hanno studiato le spirali al microscopio elettronico per confermare l'allineamento degli atomi in queste spirali attorcigliate. Le loro immagini hanno mostrato che gli atomi negli strati attorcigliati vicini formano un modello di interferenza sovrapposto previsto chiamato modello moiré, che conferisce anche ai vestiti di seta a strati fini la sua lucentezza e increspatura. Il professore emerito di chimica John Wright e il suo laboratorio hanno condotto studi preliminari suggerendo il potenziale di proprietà ottiche insolite delle spirali di torsione.

I ricercatori hanno utilizzato dicalcogenuri di metalli di transizione come strati per le spirali di torsione, ma il concetto non dipende da materiali specifici, purché siano materiali 2-D.

"Ora possiamo seguire un modello razionale radicato nella matematica per creare una pila di questi strati 2D con un angolo di torsione controllabile tra ogni strato, e sono continui, " dice Zhao.

La sintesi diretta di materiali bidimensionali attorcigliati consentirà gli studi di una nuova fisica quantistica in questi materiali "twistronici" bidimensionali, che Jin e i suoi collaboratori stanno perseguendo seriamente.

"Quando vedi che tutto combacia perfettamente con un semplice modello matematico e pensi, 'Oh, questo sta davvero funzionando, ' questo tipo di gioia è il motivo per cui lavoriamo sulla ricerca, quel momento "eureka" in cui ti rendi conto che ora stai imparando qualcosa che nessun altro ha capito prima, " dice Jin.