Per decenni, gli scienziati hanno sondato il potenziale dei materiali bidimensionali per trasformare il nostro mondo. I materiali 2D hanno lo spessore di un solo strato di atomi. Al loro interno, le particelle subatomiche come gli elettroni possono muoversi solo in due dimensioni. Questa semplice restrizione può innescare un comportamento insolito degli elettroni, conferendo ai materiali proprietà "esotiche" come forme bizzarre di magnetismo, superconduttività e altri comportamenti collettivi tra gli elettroni, che potrebbero essere utili nell'informatica, nella comunicazione, nell'energia e in altri campi.
Ma i ricercatori generalmente presuppongono che queste esotiche proprietà 2D esistano solo in fogli a strato singolo o short stack. Le cosiddette versioni "in massa" di questi materiali, con le loro strutture atomiche 3D più complesse, dovrebbero comportarsi diversamente.
O almeno così pensavano.
In un articolo pubblicato il 19 luglio su Nature , un team guidato da ricercatori dell'Università di Washington riferisce che è possibile impregnare la grafite, il materiale 3D principale trovato nelle matite n. 2, con proprietà fisiche simili alla controparte 2D della grafite, il grafene. Non solo questa svolta è stata inaspettata, ma il team ritiene anche che il suo approccio potrebbe essere utilizzato per verificare se tipi simili di materiali sfusi possano anche assumere proprietà simili a quelle 2D. Se è così, i fogli 2D non saranno l’unica fonte a disposizione degli scienziati per alimentare le rivoluzioni tecnologiche. I materiali 3D sfusi potrebbero essere altrettanto utili.
"L'impilamento di un singolo strato su un singolo strato, o due strati su due strati, è da diversi anni al centro dell'attenzione per sbloccare la nuova fisica dei materiali 2D. In questi approcci sperimentali, è qui che emergono molte proprietà interessanti", ha affermato l'autore senior Matthew Yankowitz, un assistente professore di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali della UW. "Ma cosa succede se continui ad aggiungere strati? Alla fine deve fermarsi, giusto? Questo è ciò che suggerisce l'intuizione. Ma in questo caso, l'intuizione è sbagliata. È possibile mescolare proprietà 2D in materiali 3D."
Il team, che comprende anche ricercatori dell’Università di Osaka e dell’Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone, ha adattato un approccio comunemente utilizzato per sondare e manipolare le proprietà dei materiali 2D:impilare insieme fogli 2D con un piccolo angolo di torsione. Yankowitz e i suoi colleghi hanno posizionato un singolo strato di grafene sopra un sottile cristallo di grafite, quindi hanno introdotto un angolo di torsione di circa 1 grado tra la grafite e il grafene. Hanno rilevato proprietà elettriche nuove e inaspettate non solo nell'interfaccia contorta, ma anche nelle profondità della grafite.
L'angolo di torsione è fondamentale per generare queste proprietà, ha affermato Yankowitz, che è anche membro della facoltà dell'UW Clean Energy Institute e dell'UW Institute for Nano-Engineered Systems. Un angolo di torsione tra i fogli 2D, come due fogli di grafene, crea quello che viene chiamato un motivo moiré, che altera il flusso di particelle cariche come gli elettroni e induce proprietà esotiche nel materiale.
Negli esperimenti condotti dall’UW con grafite e grafene, l’angolo di torsione ha anche indotto un effetto moiré, con risultati sorprendenti. Anche se solo un singolo foglio di grafene sopra il cristallo era attorcigliato, i ricercatori hanno scoperto che le proprietà elettriche dell’intero materiale differivano notevolmente dalla tipica grafite. E quando hanno acceso un campo magnetico, gli elettroni nelle profondità del cristallo di grafite hanno adottato proprietà insolite simili a quelle degli elettroni nell'interfaccia ritorta.
In sostanza, la singola interfaccia contorta di grafene-grafite si è mescolata inestricabilmente con il resto della grafite sfusa.
"Anche se stavamo generando il motivo moiré solo sulla superficie della grafite, le proprietà risultanti si estendevano su tutto il cristallo", ha detto il co-autore principale Dacen Waters, un ricercatore post-dottorato in fisica dell'UW.
Per i fogli 2D, i motivi moiré generano proprietà che potrebbero essere utili per l’informatica quantistica e altre applicazioni. L'induzione di fenomeni simili nei materiali 3D sblocca nuovi approcci per studiare stati della materia insoliti ed esotici e come portarli fuori dal laboratorio e nella nostra vita quotidiana.
"L'intero cristallo assume questo stato 2D", ha detto il co-autore principale Ellis Thompson, uno studente di dottorato in fisica della UW. "Questo è un modo fondamentalmente nuovo di influenzare il comportamento degli elettroni in un materiale sfuso."
Yankowitz e il suo team ritengono che il loro approccio volto a generare un angolo di torsione tra il grafene e un cristallo di grafite sfuso potrebbe essere utilizzato per creare ibridi 2D-3D dei suoi materiali fratelli, tra cui il ditelluride di tungsteno e il pentatelluride di zirconio. Ciò potrebbe sbloccare un nuovo approccio per riprogettare le proprietà dei materiali sfusi convenzionali utilizzando un'unica interfaccia 2D.
"Questo metodo potrebbe diventare un terreno di gioco davvero ricco per studiare nuovi ed entusiasmanti fenomeni fisici nei materiali con proprietà miste 2D e 3D", ha affermato Yankowitz.
Ulteriori informazioni: Matthew Yankowitz, Sistemi moiré misti dimensionali di film sottili grafitici ritorti, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06290-3. www.nature.com/articles/s41586-023-06290-3
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Washington
