Маленькие спирали могут иметь большое влияние

Эта микроскопическая извилистая спираль была «выращена» путем нанесения листов 2D-материала на подложку, слегка изогнутую путем помещения под нее наночастиц.

По словам создавших его химиков, он демонстрирует интересные, настраиваемые сверхпроводящие свойства, что делает его важным достижением в интригующем мире твистроники.

«Это нынешний рубеж исследований 2D-материалов», — говорит Сонг Джин из Университета Висконсин-Мэдисон, США. «За последние несколько лет ученые поняли, что когда вы делаете небольшой поворот между атомными слоями – обычно на несколько градусов – вы создаете очень интересные физические свойства, такие как нетрадиционная сверхпроводимость».

В статье в журнале Science Джин и его коллеги описывают свой способ контролировать рост скручивающихся микроскопических спиралей из материалов толщиной всего в один атом, что позволяет им создавать непрерывно скручивающиеся стопки материалов.

Стандартная практика, по словам первого автора Юйчжоу Чжао, заключается в том, чтобы механически складывать два листа тонкого материала друг на друга и вручную контролировать угол скручивания между ними. Но когда вы выращиваете эти 2D-материалы напрямую, вы не можете контролировать угол, потому что взаимодействие между слоями очень слабое.

Альтернатива, говорит Джин, — это выйти за пределы мира евклидовой геометрии с ее плоскими плоскостями, прямыми линиями и прямыми углами и подумать о кривых.

Его команда скручивала спирали, воспользовавшись несовершенством выращивания кристаллов, называемым винтовыми дислокациями. В 2D-материалах дислокации обеспечивают шаг вперед для следующих слоев структуры, поскольку она движется по спирали, как парковочная рампа, при этом все слои всей стопки соединены, выравнивая ориентацию каждого слоя.

Чтобы вырастить неевклидову спиральную структуру и заставить спирали закручиваться, исследователи изменили основу, из которой выросли их спирали.

Получайте обновления научных историй прямо на свой почтовый ящик.

Вместо того, чтобы выращивать кристаллы на плоской плоскости, Чжао поместил наночастицу, похожую на частицу оксида кремния, под центр спирали. В процессе роста частица разрушает плоскую поверхность и создает изогнутую основу для роста 2D-кристалла.

По их словам, они обнаружили, что вместо выровненной спирали, где край каждого слоя лежит параллельно предыдущему слою, 2D-кристалл образует непрерывно закрученную многослойную спираль, которая предсказуемо скручивается от одного слоя к другому.

Угол межслоевого скручивания возникает из-за несоответствия между плоскими (евклидовыми) 2D-кристаллами и искривленными (неевклидовыми) поверхностями, на которых они растут.

Затем Чжао разработал простую математическую модель для прогнозирования углов закручивания спиралей, основываясь на геометрической форме изогнутой поверхности, и смоделированные им формы спиралей хорошо соответствовали выращенным структурам.

Когда спирали были исследованы под электронным микроскопом, изображения показали, что атомы в соседних скрученных слоях образуют ожидаемую перекрывающуюся интерференционную картину, называемую муаровой картиной.

«Теперь мы можем следовать рациональной модели, основанной на математике, чтобы создать стопку этих 2D-слоев с контролируемым углом поворота между каждым слоем, и они будут непрерывными», — предполагает Чжао.

Первоначально опубликовано в Cosmos под заголовком «Маленькие спирали могут иметь большое влияние».

Кураторский контент от редакции журнала Cosmos Magazine.

Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить научно обоснованные знания и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, большие или маленькие, помогают нам обеспечить доступ к достоверной научной информации в то время, когда мир в ней больше всего нуждается. Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.