Gli scienziati dell'Università di Bath hanno compiuto un passo importante verso la comprensione dell'interazione tra strati di materiali atomicamente sottili disposti in pile. Sperano che la loro ricerca accelererà la scoperta di nuovi, materiali artificiali, portando alla progettazione di componenti elettronici che sono molto più piccoli ed efficienti di qualsiasi cosa conosciuta oggi.

Più piccolo è sempre meglio nel mondo dei circuiti elettronici, ma c'è un limite a quanto si può restringere un componente di silicio senza che si surriscaldi e si sfaldi, e siamo vicini a raggiungerlo. I ricercatori stanno studiando un gruppo di materiali atomicamente sottili che possono essere assemblati in pile. Le proprietà di qualsiasi materiale finale dipendono sia dalla scelta delle materie prime che dall'angolo con cui uno strato è disposto sopra l'altro.

Dr. Marcin Mucha-Kruczynski che ha guidato la ricerca del Dipartimento di Fisica, ha detto:"Abbiamo trovato un modo per determinare quanto fortemente gli atomi in diversi strati di una pila sono accoppiati tra loro, e abbiamo dimostrato l'applicazione della nostra idea a una struttura composta da strati di grafene".

La ricerca Bath, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , si basa su precedenti lavori sul grafene, un cristallo caratterizzato da sottili fogli di atomi di carbonio disposti a nido d'ape. Nel 2018, scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno scoperto che quando due strati di grafene vengono impilati e poi attorcigliati l'uno rispetto all'altro dell'angolo "magico" di 1,1°, producono un materiale con proprietà superconduttive. Questa è stata la prima volta che gli scienziati hanno creato un materiale superconduttore fatto esclusivamente di carbonio. Però, queste proprietà sono scomparse con il più piccolo cambiamento di angolo tra i due strati di grafene.

Dalla scoperta del MIT, scienziati di tutto il mondo hanno cercato di applicare questo fenomeno di "accatastamento e torsione" ad altri materiali ultrasottili, mettendo insieme due o più strutture atomicamente diverse nella speranza di formare materiali completamente nuovi con qualità speciali.

"In natura, non puoi trovare materiali in cui ogni strato atomico è diverso, " ha detto il dottor Mucha-Kruczynski. "Inoltre, due materiali possono normalmente essere assemblati solo in un modo specifico perché devono formarsi legami chimici tra gli strati. Ma per materiali come il grafene, solo i legami chimici tra atomi sullo stesso piano sono forti. Le forze tra i piani, note come interazioni di van der Waals, sono deboli, e questo consente di attorcigliare gli strati di materiale l'uno rispetto all'altro."

La sfida per gli scienziati ora è rendere il processo di scoperta di nuovi, materiali stratificati il ​​più efficiente possibile. Trovando una formula che permetta loro di prevedere il risultato quando due o più materiali sono impilati, saranno in grado di ottimizzare enormemente la loro ricerca.

È in quest'area che il dottor Mucha-Kruczynski e i suoi collaboratori dell'Università di Oxford, L'Università di Pechino e ELETTRA Synchrotron in Italia si aspettano di fare la differenza.

"Il numero di combinazioni di materiali e il numero di angoli a cui possono essere attorcigliati è troppo grande per essere testato in laboratorio, quindi ciò che possiamo prevedere è importante, " ha detto il dottor Mucha-Kruczynski.

I ricercatori hanno dimostrato che l'interazione tra due strati può essere determinata studiando una struttura a tre strati in cui due strati sono assemblati come si potrebbe trovare in natura, mentre il terzo è contorto. Hanno usato la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta, un processo in cui una luce potente espelle gli elettroni dal campione in modo da poter misurare l'energia e la quantità di moto dagli elettroni, fornendo così informazioni sulle proprietà del materiale, per determinare quanto fortemente sono accoppiati due atomi di carbonio a una data distanza l'uno dall'altro. Hanno anche dimostrato che il loro risultato può essere utilizzato per prevedere le proprietà di altri stack costituiti dagli stessi strati, anche se le torsioni tra gli strati sono diverse.

L'elenco dei materiali atomicamente sottili come il grafene è in continua crescita. Comprende già decine di voci che mostrano una vasta gamma di proprietà, dall'isolamento alla superconduttività, trasparenza all'attività ottica, fragilità alla flessibilità. L'ultima scoperta fornisce un metodo per determinare sperimentalmente l'interazione tra gli strati di uno qualsiasi di questi materiali. Questo è essenziale per prevedere le proprietà di stack più complicati e per la progettazione efficiente di nuovi dispositivi.

Il Dr. Mucha-Kruczynski crede che potrebbero passare 10 anni prima che i nuovi materiali impilati e attorcigliati trovino un pratico, applicazione quotidiana. "Ci è voluto un decennio prima che il grafene passasse dal laboratorio a qualcosa di utile nel senso comune, quindi con un pizzico di ottimismo, Mi aspetto che una tempistica simile si applichi ai nuovi materiali, " Egli ha detto.

Basandosi sui risultati del suo ultimo studio, Il Dr. Mucha-Kruczynski e il suo team si stanno ora concentrando su pile intrecciate costituite da strati di dicalcogenuri di metalli di transizione (un ampio gruppo di materiali con due tipi di atomi molto diversi:un metallo e un calcogeno, come lo zolfo). Alcuni di questi stack hanno mostrato un affascinante comportamento elettronico che gli scienziati non sono ancora in grado di spiegare.

"Poiché abbiamo a che fare con due materiali radicalmente diversi, studiare questi stack è complicato, " ha spiegato il dottor Mucha-Kruczynski. "Tuttavia, speriamo che col tempo saremo in grado di prevedere le proprietà dei vari stack, e progettare nuovi materiali multifunzionali."