Krystal med et twist:forskere dyrker spiralt nyt materiale

Med et enkelt twist af fingrene, man kan skabe en smuk spiral fra et kortspil. På samme måde, forskere ved University of California, Berkeley, og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skabt nye uorganiske krystaller lavet af stakke atomisk tynde plader, der uventet spiraler som et kort i nanoskala.

Deres overraskende strukturer, rapporteret i en ny undersøgelse, der blev vist online onsdag, 20. juni kl. i journalen Natur , kan give enestående optisk, elektroniske og termiske egenskaber, herunder superledning, siger forskerne.

Disse spiralformede krystaller er lavet af stablede lag af germaniumsulfid, et halvledermateriale, der, som grafen, danner let ark, der kun er få atomer eller endda et enkelt atom tykt. Sådanne "nanosheets" betegnes normalt som "2-D-materialer".

"Ingen forventede, at 2-D-materialer ville vokse på en sådan måde. Det er som en overraskelsesgave, "sagde Jie Yao, en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. "Vi mener, at det kan give store muligheder for materialeforskning."

Selv om krystallernes form kan ligne DNA'ets, hvis spiralformede struktur er afgørende for dets arbejde med at bære genetisk information, deres underliggende struktur er faktisk ganske anderledes. I modsætning til "organisk" DNA, som primært er bygget af velkendte atomer som kulstof, ilt og brint, disse "uorganiske" krystaller er bygget af mere fjerntliggende elementer i det periodiske system-i dette tilfælde, svovl og germanium. Og selvom organiske molekyler ofte tager alle mulige slags former, på grund af unikke egenskaber ved deres primære komponent, kulstof, uorganiske molekyler tenderer mere mod det lige og smalle.

For at skabe de snoede strukturer, holdet udnyttede en krystaldefekt kaldet en skrueforskridelse, en "fejl" i den ordnede krystalstruktur, der giver den lidt af en vridningskraft. Denne "Eshelby Twist, "opkaldt efter videnskabsmand John D. Eshelby, er blevet brugt til at skabe nanotråde, der spiraler som fyrretræer. Men denne undersøgelse er første gang, Eshelby Twist er blevet brugt til at lave krystaller bygget af stablede 2-D lag af en atomtynd halvleder.

"Som regel, mennesker hader defekter i et materiale - de vil have en perfekt krystal, "sagde Yao, der også fungerer som fakultetsforsker ved Berkeley Lab. "Men det viser sig, at denne gang, vi må takke manglerne. De tillod os at skabe et naturligt twist mellem materialelagene. "

I en stor opdagelse sidste år, forskere rapporterede, at grafen bliver superledende, når to atomtynde ark af materialet stables og vrides i det, der kaldes en "magisk vinkel". Mens det er lykkedes andre forskere at stable to lag ad gangen, det nye papir giver en opskrift på at syntetisere stablede strukturer, der er hundredtusinder eller endda millioner af lag tykke på en kontinuerligt snoet måde.

"Vi observerede dannelsen af ​​diskrete trin i den snoede krystal, som forvandler den jævnt snoet krystal til cirkulære trapper, et nyt fænomen forbundet med Eshelby Twist -mekanismen, "sagde Yin Liu, medforfatter af papiret og kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. "Det er ganske fantastisk, hvordan samspil mellem materialer kan resultere i mange forskellige, smukke geometrier. "

Ved at justere materialesyntese betingelser og længde, forskerne kunne ændre vinklen mellem lagene, skabe en snoet struktur, der er stram, som en kilde, eller løs, som en uspoleret Slinky. Og mens forskergruppen demonstrerede teknikken ved at dyrke spiralformede krystaller af germaniumsulfid, det kan sandsynligvis bruges til at dyrke lag af andre materialer, der danner lignende atom tynde lag.

"Den snoede struktur opstår fra en konkurrence mellem lagret energi og energiomkostningerne ved at glide to materialelag i forhold til hinanden, "sagde Daryl Chrzan, formand for Institut for Materialevidenskab og Teknik og seniorteoretiker på papiret. "Der er ingen grund til at forvente, at denne konkurrence er begrænset til germaniumsulfid, og lignende strukturer burde være mulige i andre 2-D-materialesystemer. "

"Disse lagdelte materialers snoede adfærd, typisk med kun to lag snoet i forskellige vinkler, har allerede vist stort potentiale og tiltrukket megen opmærksomhed fra fysik- og kemisamfundene. Nu, det bliver meget spændende at finde ud af, med alle disse snoede lag kombineret i vores nye materiale, hvis de vil vise helt andre materialegenskaber end almindelig stabling af disse materialer, "Sagde Yao." Men i dette øjeblik, vi har meget begrænset forståelse for, hvad disse egenskaber kan være, fordi denne form for materiale er så ny. Nye muligheder venter på os. "