Con un semplice movimento delle dita, si può creare una bella spirale da un mazzo di carte. Nello stesso modo, scienziati dell'Università della California, Berkeley, e il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno creato nuovi cristalli inorganici fatti di pile di fogli atomicamente sottili che si sviluppano inaspettatamente a spirale come un mazzo di carte su scala nanometrica.

Le loro strutture sorprendenti, riportato in un nuovo studio apparso online mercoledì, 20 giugno nel diario Natura , può produrre ottiche uniche, proprietà elettroniche e termiche, inclusa la superconduttività, dicono i ricercatori.

Questi cristalli elicoidali sono costituiti da strati sovrapposti di solfuro di germanio, un materiale semiconduttore che, come il grafene, forma facilmente fogli dello spessore di pochi atomi o anche di un singolo atomo. Tali "nanofogli" sono generalmente indicati come "materiali 2-D".

"Nessuno si aspettava che i materiali 2-D crescessero in questo modo. È come un regalo a sorpresa, " ha detto Jie Yao, un assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria presso la UC Berkeley. "Crediamo che possa portare grandi opportunità per la ricerca sui materiali".

Mentre la forma dei cristalli può assomigliare a quella del DNA, la cui struttura elicoidale è fondamentale per il suo compito di trasportare informazioni genetiche, la loro struttura sottostante è in realtà molto diversa. A differenza del DNA "organico", che è costituito principalmente da atomi familiari come il carbonio, ossigeno e idrogeno, questi cristalli "inorganici" sono costituiti da elementi più distanti della tavola periodica, in questo caso, zolfo e germanio. E mentre le molecole organiche spesso assumono ogni sorta di forme bizzarre, grazie alle proprietà uniche del loro componente principale, carbonio, le molecole inorganiche tendono più verso il rettilineo e lo stretto.

Per creare le strutture contorte, il team ha approfittato di un difetto del cristallo chiamato dislocazione della vite, un "errore" nella struttura cristallina ordinata che gli conferisce un po' di forza torcente. Questo "Eshelby Twist, " prende il nome dallo scienziato John D. Eshelby, è stato utilizzato per creare nanofili che si muovono a spirale come alberi di pino. Ma questo studio è la prima volta che l'Eshelby Twist è stato utilizzato per creare cristalli costituiti da strati 2-D impilati di un semiconduttore atomicamente sottile.

"Generalmente, le persone odiano i difetti di un materiale:vogliono avere un cristallo perfetto, " disse Yao, che serve anche come scienziato di facoltà presso il Berkeley Lab. "Ma si scopre che, questa volta, dobbiamo ringraziare i difetti. Ci hanno permesso di creare una svolta naturale tra gli strati di materiale".

In una grande scoperta lo scorso anno, gli scienziati hanno riferito che il grafene diventa superconduttivo quando due fogli atomicamente sottili del materiale vengono impilati e attorcigliati secondo quello che viene chiamato un "angolo magico". Mentre altri ricercatori sono riusciti a impilare due strati alla volta, la nuova carta fornisce una ricetta per sintetizzare strutture impilate che hanno uno spessore di centinaia di migliaia o addirittura milioni di strati in un modo continuamente attorcigliato.

"Abbiamo osservato la formazione di passaggi discreti nel cristallo ritorto, che trasforma il cristallo dolcemente attorcigliato in scale circolari, un nuovo fenomeno associato al meccanismo Eshelby Twist, "ha detto Yin Liu, co-primo autore dell'articolo e uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. "È abbastanza sorprendente come l'interazione dei materiali possa dare origine a molti diversi, belle geometrie."

Regolando le condizioni di sintesi del materiale e la lunghezza, i ricercatori potrebbero cambiare l'angolo tra gli strati, creando una struttura contorta che è tesa, come una primavera, o sciolto, come uno Slinky srotolato. E mentre il team di ricerca ha dimostrato la tecnica coltivando cristalli elicoidali di solfuro di germanio, potrebbe essere probabilmente usato per far crescere strati di altri materiali che formano strati atomicamente sottili simili.

"La struttura contorta nasce da una competizione tra l'energia immagazzinata e il costo energetico dello scorrimento di due strati di materiale l'uno rispetto all'altro, "ha detto Daryl Chrzan, presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e teorico senior sulla carta. "Non c'è motivo di aspettarsi che questa competizione sia limitata al solfuro di germanio, e strutture simili dovrebbero essere possibili in altri sistemi di materiali 2-D."

"Il comportamento distorto di questi materiali stratificati, tipicamente con solo due strati attorcigliati ad angoli diversi, ha già mostrato un grande potenziale e ha attirato molta attenzione da parte delle comunità di fisica e chimica. Ora, diventa molto intrigante scoprire, con tutti questi strati intrecciati combinati nel nostro nuovo materiale, se mostreranno proprietà del materiale molto diverse rispetto al normale impilamento di questi materiali, " Yao ha detto. "Ma in questo momento, abbiamo una comprensione molto limitata di quali potrebbero essere queste proprietà, perché questa forma di materiale è così nuova. Ci aspettano nuove opportunità".