Forskere ser på mønstre for at forestille sig nyt ingeniørfelt

Fænomenet, der danner interferensmønstre på tv-skærme, når et kamera fokuserer på et mønster som en person, der bærer striber, har inspireret en ny måde at konceptualisere elektroniske enheder. Forskere ved University of Illinois viser, hvordan versionen af ​​dette fænomen i atomskala kan rumme hemmelighederne for at hjælpe med at fremme elektronikdesign til grænserne for størrelse og hastighed.

I deres nye undersøgelse, professor i mekanisk videnskab og ingeniørvidenskab Harley Johnson, hans medforfattere omarbejdede en detalje, der tidligere blev set som en defekt i nanomaterialedesign til et koncept, der kunne omforme den måde, ingeniører designer elektronik på. Holdet, som også inkluderer mekanik- og ingeniørstuderende Brian McGuigan og de franske samarbejdspartnere Pascal Pochet og Johann Coraux, offentliggjort sine resultater i tidsskriftet Anvendte materialer i dag .

På skærme, moire-mønstre opstår, når pixeleringen er i næsten samme skala som et fotograferet mønster, Johnson sagde, eller når to tynde lag af et materiale med en periodisk struktur, som gennemsigtige stoffer og vinduesskærme, placeres lidt skævt ovenpå hinanden.

På makroskalaen, moiréer er optiske fænomener, der ikke danner håndgribelige objekter. Imidlertid, når disse mønstre forekommer på atomniveau, arrangementer af elektroner låses på plads af atomkræfter for at danne nanoskala ledninger, der er i stand til at transmittere elektricitet, sagde forskerne.

"Todimensionelle materialer - tynde film konstrueret til at være af enkeltatoms tykkelse - skaber moirémønstre, når de stables oven på hinanden og er skæve, strakt, komprimeret eller snoet, "Johnson sagde. "Moiréen opstår, når atomer danner lineære områder med høj elektrontæthed. De resulterende linjer skaber, hvad der i bund og grund er en ekstremt tynd tråd."

I årtier, fysikere observerede mikroskopbilleder af atomarrangementer af 2-D tynde film og genkendte dem som periodiske arrays af små defekter kendt som dislokationer, men Johnsons gruppe er den første til at bemærke, at disse også er almindelige moirémønstre.

"Et moiré-mønster er simpelthen en række dislokationer, og en række dislokationer er et moiré-mønster - det går begge veje, " sagde Johnson. Denne erkendelse åbnede døren til det, som Johnsons gruppe omtaler som moire engineering - hvad der kunne føre til en ny måde at fremstille de mindste, letteste og hurtigste elektronik.

Ved at manipulere orienteringen af ​​stablede lag af 2-D tynde film som grafen, ledninger af enkeltatomtykkelse kan samles, bygge grundlaget for at skrive nanokredsløb. En tråd med enkeltatoms tykkelse er grænsen for tyndhed. Jo tyndere ledning, jo hurtigere kan elektroner rejse, hvilket betyder, at denne teknologi har potentialet til at producere de hurtigst mulige transmitterende ledninger og kredsløb, sagde forskerne.

"Der er altid spørgsmålet om, hvordan man forbinder til et så lille kredsløb, "Johnson sagde. "Der er stadig meget arbejde at gøre for at finde måder at sy sammen 2-D materialer på en måde, der kunne producere en enhed."

I mellemtiden, Johnsons gruppe fokuserer på typer af enheder, der kan fremstilles ved hjælp af moire-teknik.

"At være i stand til at konstruere selve moiré-mønsteret er en vej til nye lette og mindre påtrængende enheder, der kunne have applikationer i den biomedicinske industri og rumindustrien, " sagde han. "Mulighederne er kun begrænset af ingeniørernes fantasi."