I fisici dell'Università di Sheffield hanno scoperto che quando due materiali atomicamente sottili simili al grafene vengono posti uno sopra l'altro le loro proprietà cambiano, ed emerge un materiale con nuove proprietà ibride, aprendo la strada alla progettazione di nuovi materiali e nano-dispositivi.

Questo avviene senza mescolare fisicamente i due strati atomici, né attraverso una reazione chimica, ma collegando gli strati l'uno all'altro tramite una cosiddetta debole interazione di van der Waals, simile a come un nastro adesivo si attacca a una superficie piana.

Nell'innovativo studio pubblicato su Natura , gli scienziati hanno anche scoperto che le proprietà del nuovo materiale ibrido possono essere controllate con precisione ruotando i due strati atomici impilati, aprendo la strada all'uso di questo grado di libertà unico per il controllo su nanoscala di materiali compositi e nanodispositivi nelle tecnologie future.

L'idea di impilare strati di materiali diversi per realizzare le cosiddette eterostrutture risale agli anni '60, quando l'arseniuro di gallio semiconduttore è stato studiato per realizzare laser in miniatura, che ora sono ampiamente utilizzati.

Oggi, le eterostrutture sono comuni e sono ampiamente utilizzate nell'industria dei semiconduttori come strumento per progettare e controllare le proprietà elettroniche e ottiche dei dispositivi.

Più recentemente, nell'era dei cristalli bidimensionali (2-D) atomicamente sottili, come il grafene, sono emersi nuovi tipi di eterostrutture, dove strati atomicamente sottili sono tenuti insieme da forze di van der Waals relativamente deboli.

Le nuove strutture soprannominate "eterostrutture di van der Waals" aprono un enorme potenziale per creare numerosi "meta"-materiali e nuovi dispositivi impilando insieme un numero qualsiasi di strati atomicamente sottili. Centinaia di combinazioni diventano possibili altrimenti inaccessibili nei tradizionali materiali tridimensionali, potenzialmente dando accesso a nuove funzionalità inesplorate del dispositivo optoelettronico o proprietà insolite dei materiali.

Nello studio i ricercatori hanno utilizzato eterostrutture di van der Waals costituite dai cosiddetti dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), un'ampia famiglia di materiali stratificati. Nella loro forma tridimensionale sono in qualche modo simili alla grafite, il materiale utilizzato nelle mine delle matite, da cui il grafene è stato estratto come un singolo strato atomico 2-D di carbonio.

I ricercatori hanno scoperto che quando due TMD semiconduttori atomicamente sottili vengono combinati in un'unica struttura, le loro proprietà si ibridano.

Professor Alexander Tartakovskii, dal Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Sheffield, ha detto:"I materiali si influenzano a vicenda e cambiano le proprietà l'uno dell'altro, e devono essere considerati come un 'meta'-materiale completamente nuovo con proprietà uniche, quindi uno più uno non fa due.

"Troviamo anche che il grado di tale ibridazione dipende fortemente dalla torsione tra i singoli reticoli atomici di ogni strato.

"Troviamo che quando si attorcigliano gli strati, la nuova periodicità sopraatomica sorge nell'eterostruttura, chiamata superreticolo moiré.

"Il superreticolo moiré, con il periodo dipendente dall'angolo di torsione governa il modo in cui le proprietà dei due semiconduttori si ibridano."

In altri studi, effetti simili sono stati scoperti e studiati principalmente nel grafene, il membro "fondatore" della famiglia dei materiali 2-D. L'ultimo studio mostra che altri materiali, in particolare semiconduttori come TMD, mostrano una forte ibridazione, che inoltre può essere controllato dall'angolo di torsione.

Gli scienziati ritengono che lo studio mostri un enorme potenziale per la creazione di nuovi tipi di materiali e dispositivi.

Il professor Tartakovskii ha aggiunto:"Emerge il quadro più complesso dell'interazione tra materiali atomicamente sottili all'interno delle eterostrutture di van der Waals. Questo è eccitante, poiché offre l'opportunità di accedere a una gamma ancora più ampia di proprietà dei materiali come la conduttività elettrica e la risposta ottica insolite e regolabili con torsione, magnetismo ecc. Questo potrebbe e sarà impiegato come nuovi gradi di libertà durante la progettazione di nuovi dispositivi basati su 2-D."

I ricercatori vorrebbero fare ulteriori studi per esplorare più combinazioni di materiali per vedere quali sono le capacità del nuovo metodo.