Con un simple giro de los dedos, uno puede crear una hermosa espiral a partir de una baraja de cartas. Del mismo modo, los científicos del Laboratorio Nacional de la Universidad de California, Berkeley y Lawrence Berkeley Berkeley Lab han creado nuevos cristales inorgánicoshecho de pilas de láminas atómicamente delgadas que inesperadamente giran en espiral como una baraja de cartas a nanoescala.
Sus sorprendentes estructuras, informadas en un nuevo estudio que apareció en línea el 19 de junio en la revista Naturaleza , pueden producir propiedades ópticas, electrónicas y térmicas únicas, incluida la superconductividad, dicen los investigadores.
Estos cristales helicoidales están hechos de capas apiladas de sulfuro de germanio, un material semiconductor que, como el grafeno, forma fácilmente láminas que tienen solo unos pocos átomos o incluso un solo átomo de espesor. Estas "nanoescapas" generalmente se conocen como "materiales 2D"
"Nadie esperaba que los materiales 2D crecieran de esa manera. Es como un regalo sorpresa", dijo Jie Yao, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Creemos que puede brindar grandes oportunidades para la investigación de materiales"
Si bien la forma de los cristales puede parecerse a la del ADN, cuya estructura helicoidal es crítica para su trabajo de transportar información genética, su estructura subyacente es en realidad bastante diferente. A diferencia del ADN "orgánico", que está formado principalmente por átomos familiares como el carbono, oxígeno e hidrógeno, estos cristales "inorgánicos" están construidos con elementos más remotos de la tabla periódica, en este caso, azufre y germanio, y aunque las moléculas orgánicas a menudo toman todo tipo de formas estrafalarias, debido a las propiedades únicas de suscomponente primario, carbono, moléculas inorgánicas tienden más hacia la recta y estrecha.
Para crear las estructuras retorcidas, el equipo aprovechó un defecto de cristal llamado dislocación de tornillo, un "error" en la estructura cristalina ordenada que le da un poco de fuerza de torsión. Este "Eshelby Twist", llamado así por el científico JohnD. Eshelby, se ha utilizado para crear nanocables que se mueven en espiral como los pinos, pero este estudio es la primera vez que se utiliza el Eshelby Twist para hacer cristales construidos con capas 2D apiladas de un semiconductor atómicamente delgado.
"Por lo general, las personas odian los defectos en un material, quieren tener un cristal perfecto", dijo Yao, quien también se desempeña como científico de la facultad en Berkeley Lab. "Pero resulta que, esta vez, tenemos que agradecerlos defectos. Nos permitieron crear un giro natural entre las capas de material ".
En un descubrimiento importante el año pasado, los científicos informaron que el grafeno se vuelve superconductor cuando dos láminas del material atómicamente delgadas se apilan y se retuercen en lo que se llama un "ángulo mágico". Mientras que otros investigadores han logrado apilar dos capas a la vez, elEl nuevo documento proporciona una receta para sintetizar estructuras apiladas que tienen cientos de miles o incluso millones de capas de grosor de forma continua.
"Observamos la formación de pasos discretos en el cristal torcido, que transforma el cristal suavemente torcido en escaleras circulares, un nuevo fenómeno asociado con el mecanismo Eshelby Twist", dijo Yin Liu, coautor del artículo y graduado.estudiante de ciencias e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Es sorprendente cómo la interacción de los materiales puede dar lugar a muchas geometrías diferentes y hermosas".
Al ajustar las condiciones y la longitud de la síntesis del material, los investigadores pudieron cambiar el ángulo entre las capas, creando una estructura retorcida que es apretada, como un resorte, o suelta, como un Slinky desenrollado. Y mientras el equipo de investigación demostró la técnica medianteal crecer cristales helicoidales de sulfuro de germanio, probablemente podría usarse para cultivar capas de otros materiales que forman capas atómicamente delgadas similares.
"La estructura retorcida surge de una competencia entre la energía almacenada y el costo energético de deslizar dos capas de material entre sí", dijo Daryl Chrzan, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y teórico principal del artículo. "no hay razón para esperar que esta competencia se limite al sulfuro de germanio, y estructuras similares deberían ser posibles en otros sistemas de materiales 2D ".
"El comportamiento retorcido de estos materiales en capas, típicamente con solo dos capas retorcidas en diferentes ángulos, ya ha demostrado un gran potencial y atrajo mucha atención de las comunidades de física y química. Ahora, resulta muy interesante descubrirlo, con"Todas estas capas retorcidas combinadas en nuestro nuevo material, si mostrarán propiedades de material bastante diferentes que el apilamiento regular de estos materiales", dijo Yao. "Pero en este momento, tenemos una comprensión muy limitada de cuáles podrían ser estas propiedades, porque estola forma del material es tan nueva. Nos esperan nuevas oportunidades "
Otros coprimeros autores del artículo incluyen Su Jung Kim y Haoye Sun de UC Berkeley y Jie Wang del Laboratorio Nacional Argonne. Otros autores incluyen Fuyi Yang, Zixuan Fang, Ruopeng Zhang, Bo Z. Xu, Michael Wang, Shuren Lin, Kyle B. Tom, Yang Deng, Robert O. Ritchie, Andrew M. Minor y Mary C. Scott de UC Berkeley; Nobumichi Tamura, Xiaohui Song, Qin Yu, John Turner y Emory Chan de Berkeley Lab y Jianguo Wen y Dafei Jindel Laboratorio Nacional de Argonne.
El trabajo en la Fundición Molecular de Berkeley Lab y la Fuente de Luz Avanzada fue respaldado por la Oficina de Ciencia y la Oficina de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía de EE. UU. Bajo el contrato no. DE-AC02-05CH11231. La investigación también fue respaldada por el Departamento de EE. UU.Oficina de Ciencia de la Energía, Oficina de Ciencias Básicas de Energía y División de Ciencias e Ingeniería de Materiales bajo el contrato no. DE-AC02-244 05CH11231 dentro del Programa de Materiales Electrónicos KC1201.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Kara Manke. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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