Cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison descobriram uma maneira de controlar o crescimento da torção, espirais microscópicas de materiais com apenas um átomo de espessura.

As pilhas continuamente torcidas de materiais bidimensionais construídas por uma equipe liderada pelo professor Song Jin de química da UW-Madison criam novas propriedades que os cientistas podem explorar para estudar a física quântica em nanoescala. Os pesquisadores publicaram seus trabalhos hoje na revista. Ciência .

"Esta é a fronteira atual da pesquisa de materiais 2-D. Nos últimos anos, os cientistas perceberam que quando você faz uma pequena torção entre as camadas atômicas - geralmente alguns graus - você cria propriedades físicas muito interessantes, como supercondutividade não convencional. Por exemplo, o material torcido perde sua resistência elétrica completamente na baixa temperatura, "diz Jin." Os pesquisadores consideram esses materiais quânticos 2-D, e chamar esse trabalho de 'twistrônica'. "

Yuzhou Zhao, um estudante de pós-graduação e primeiro autor do estudo, diz que a prática padrão para fazer estruturas bidimensionais retorcidas é empilhar mecanicamente duas folhas de materiais finos uma sobre a outra e controlar cuidadosamente o ângulo de torção entre elas com a mão. Mas quando os pesquisadores cultivam esses materiais 2-D diretamente, eles não podem controlar o ângulo de torção porque as interações entre as camadas são muito fracas.

"Imagine fazer uma pilha de cartas de baralho continuamente torcidas. Se você tiver dedos ágeis, você poderia torcer as cartas, mas nosso desafio é como fazer as camadas atômicas se torcerem de forma controlável por si mesmas em nanoescala, "Jin diz.

A equipe de Jin descobriu como controlar o crescimento dessas estruturas retorcidas em nanoescala pensando fora do espaço plano da geometria euclidiana.

A geometria euclidiana forma a base matemática do mundo com o qual estamos familiarizados. Isso nos permite pensar sobre o mundo em planos planos, linhas retas e ângulos retos. Em contraste, A geometria não euclidiana descreve espaços curvos nos quais as linhas são curvas e a soma dos ângulos em um quadrado não é 360 graus. Teorias científicas que explicam o continuum espaço-tempo, como a relatividade geral de Einstein, usar geometria não euclidiana como base. Pensando em estruturas cristalinas fora da geometria euclidiana, Jin diz, abre novas possibilidades intrigantes.

Zhao e Jin criaram espirais torcidas aproveitando-se de um tipo de imperfeição nos cristais em crescimento, chamados de deslocamentos de parafuso. Jin estudou esse crescimento de cristal impulsionado por deslocamento por anos e o usou para explicar, por exemplo, o crescimento de árvores de nanofios. Em materiais 2-D, os deslocamentos fornecem um degrau para seguir as camadas da estrutura, uma vez que espirais como uma rampa de estacionamento com todas as camadas ao longo da pilha conectadas, alinhando a orientação de cada camada.

Então, a fim de fazer crescer uma estrutura em espiral não euclidiana e fazer as espirais se torcerem, A equipe de Jin mudou a base a partir da qual suas espirais cresceram. Em vez de crescer cristais em um plano plano, Zhao colocou uma nanopartícula, como uma partícula de óxido de silício, sob o centro da espiral. Durante o processo de crescimento, a partícula rompe a superfície plana e cria uma base curva para o crescimento do cristal 2-D.

O que a equipe descobriu é que, em vez de uma espiral alinhada, onde a borda de cada camada fica paralela à camada anterior, o cristal 2-D forma uma torção contínua, espiral multicamadas que se torce previsivelmente de uma camada para a outra. O ângulo da torção intercalar surge de uma incompatibilidade entre os cristais 2-D planos (euclidianos) e as superfícies curvas (não euclidianas) nas quais eles crescem.

Zhao chama o padrão no qual a estrutura espiral cresce diretamente sobre a nanopartícula, criando uma base em forma de cone, uma "espiral presa". Quando a estrutura cresce sobre uma nanopartícula fora do centro, como uma casa construída na encosta de uma montanha, é um padrão de "espiral não fixada". Zhao desenvolveu um modelo matemático simples para prever os ângulos de torção das espirais, com base na forma geométrica da superfície curva, e suas formas espirais modeladas combinam bem com as estruturas crescidas.

Após a descoberta inicial, O professor de ciência e engenharia de materiais da UW-Madison, Paul Voyles, e seu aluno Chenyu Zhang estudaram as espirais em um microscópio eletrônico para confirmar o alinhamento dos átomos nessas espirais torcidas. Suas imagens mostraram que os átomos em camadas torcidas vizinhas formam um padrão de interferência de sobreposição esperado, chamado de padrão moiré, que também dá às roupas de seda com camadas finas seu brilho e ondulação. O professor emérito de química John Wright e seu laboratório conduziram estudos preliminares sugerindo o potencial de propriedades ópticas incomuns das espirais de torção.

Os pesquisadores usaram dichalcogenetos de metais de transição como camadas para as espirais de torção, mas o conceito não depende de materiais específicos, contanto que sejam materiais 2-D.

"Agora podemos seguir um modelo racional enraizado na matemática para criar uma pilha dessas camadas 2-D com um ângulo de torção controlável entre cada camada, e eles são contínuos, "Zhao diz.

A síntese direta de materiais 2-D de torção permitirá os estudos da nova física quântica nesses materiais "twistrônicos" 2-D, que Jin e seus colaboradores estão perseguindo seriamente.

"Quando você vê que tudo combina perfeitamente com um modelo matemático simples e você pensa, 'Uau, isso está realmente funcionando, 'esse tipo de alegria é o motivo pelo qual trabalhamos em pesquisa - aquele momento' eureca 'em que você percebe que está aprendendo algo que ninguém mais entendeu antes, "Jin diz.