Basta aggiungere zolfo.

Gli ingegneri del Nebraska Peter ed Eli Sutter hanno dimostrato che il condimento elementare può ravvivare un sandwich di nanomateriali dando una svolta letterale al classico multistrato.

quella svolta, una rotazione di 30 gradi di ogni strato atomicamente sottile rispetto a quello sottostante, potrebbe aiutare a ravvivare i menu tecnologici nei laboratori a cinque stelle di tutto il mondo:proprietà elettroniche o ottiche emergenti, maggiore velocità, più funzionalità in meno spazio.

Dopotutto, sei il mio van der Waals

Per la parte migliore di un decennio, gli ingegneri hanno creato e testato ricette per le cosiddette eterostrutture di van der Waals:pile di strati di cristallo atomicamente sottili che possono essere sequenziati proprio così. Rispetto a un'omostruttura, l'equivalente nanoscopico di una fetta di prosciutto, un'eterostruttura potrebbe presentare fette di pastrami, peperoni e peperoncino, il tutto tenuto insieme dalle deboli forze di van der Waals tra gli strati atomici vicini.

"Questo impilamento apre molte possibilità, perché ci permette di mescolare e abbinare una vasta libreria di materiali disponibili, " disse Pietro, professore di ingegneria elettrica e informatica.

Gli ingegneri scoprirono presto che la diversità poteva coltivare proprietà tecnologicamente interessanti, spesso nelle regioni dove si incontrano due materiali diversi, altrimenti difficili o impossibili da ricreare. Quindi, alcuni anni fa, i ricercatori hanno iniziato a esplorare gli effetti della rotazione degli strati all'interno delle pile di van der Waals. Quel disallineamento degli strati, hanno trovato, potrebbe anche produrre risultati interessanti:trasformare un materiale in un superconduttore, ad esempio, o cambiando il modo in cui un semiconduttore emette luce.

Eppure il successo è arrivato di fronte a una sfida considerevole:nonostante la debolezza delle forze di van der Waals, gli strati adiacenti preferiscono fortemente rimanere allineati. L'impilamento manuale degli strati uno per uno può superare il problema ma richiede estrema precisione e, ma ancora più importante, tempo che i grandi produttori di tecnologia su piccola scala non hanno.

"Non è scalabile in alcun modo (significativo), " disse Eli, professore di ingegneria meccanica e dei materiali. "Se si vogliono sviluppare applicazioni basate su pile di van der Waals attorcigliate, è impossibile immaginare operai seduti lì e sistemare questi pezzi, a mano, uno sopra l'altro.

"Bisogna impilare manualmente un piccolo fiocco alla volta. Per costruire un dispositivo, forse può funzionare. Per costruire 10, forse è (solo) noioso. Ma più di questo è decisamente fuori portata".

Così i Sutter, insieme ai colleghi della Aalto University e dell'Università del Wyoming, deciso di provare una tattica diversa:sintetizzare direttamente pile contorte. Gestire ciò, anche se, significava superare un principio fondamentale della crescita del film sottile:la tendenza per ogni strato aggiunto ad ereditare il suo orientamento dal cristallo sottostante.

"Pensavamo che se potessimo prima far crescere qualche altro cristallo che poi si sarebbe trasformato in quello desiderato, allora forse questo cristallo intermedio, piuttosto che il substrato sottostante, potrebbe dettare l'orientamento del prodotto finale, " disse Pietro.

Hanno iniziato con un supporto di disolfuro di stagno, un composto che presenta due atomi di zolfo per ogni atomo di stagno ed è utile come semiconduttore a strati. Dopo aver fatto crescere uno strato atomicamente sottile di monosolfuro di stagno, un atomo di zolfo, uno stagno—sulla base di disolfuro di stagno, il team ha saturato quel monosolfuro di stagno con un vapore di zolfo.

Come previsto, il monosolfuro di stagno si trasformava spontaneamente in disolfuro di stagno. Ma poiché i cristalli di monosolfuro di stagno crescono in un reticolo rettangolare, al contrario della configurazione esagonale del disolfuro di stagno, il reticolo del secondo strato appena trasformato ha adottato una torsione di 30 gradi rispetto al cristallo di supporto. E quando i ricercatori hanno ripetuto il processo, il terzo strato ha preso spunto dal secondo, ruotando di 30 gradi rispetto ad esso e di 60 gradi rispetto al primo.

Per dimostrare la generalizzabilità dell'approccio, il team ha raggiunto la stessa impresa dopo aver sostituito il substrato di disolfuro di stagno con altri due semiconduttori di van der Waals, bisolfuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno.

Divario di nuova generazione

Le eterostrutture contorte stanno mostrando una particolare promessa per la modifica di un aspetto essenziale dei semiconduttori atomicamente sottili:le loro bande proibite. Gli elettroni nei semiconduttori possiedono ciascuno una certa quantità di energia, all'interno di un intervallo di valori energetici distinti chiamato banda di valenza, quando vengono lasciati indisturbati. Quando eccitato dal calore o dalla luce, quegli elettroni saltano a una gamma di valori energetici più alti, la banda di conduzione, che consente loro di fluire come elettricità. Il divario tra queste due bande, o banda proibita, aiuta a dettare il modo in cui i materiali semiconduttori conducono la corrente elettrica e assorbono o emettono luce.

"Quindi possono emergere alcune proprietà molto interessanti se si gioca a questo gioco di torsione, " disse Pietro.

La stessa torsione che potrebbe informare la micro e optoelettronica di prossima generazione evoca anche i mosaici dell'antica Roma e dell'Islam, Egli ha detto, creando un modello di piastrellatura quasi cristallino che riempie lo spazio non ripetendo periodicamente la stessa unità di base, come fanno i normali cristalli, ma producendo molteplici forme complementari.

Sebbene quella torsione rappresenti una vittoria sulla tendenza di van der Waals all'allineamento, Pietro ha detto, padroneggiare le eterostrutture contorte presenta ancora sfide formidabili.

"È un inizio, " ha detto dei progressi della squadra. "Non è ancora del tutto soddisfacente, perché non possiamo, Per esempio, (scegliere) l'angolo di torsione che vogliamo.

"Ma almeno non ci sono più zero gradi."