Des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison ont découvert un moyen de contrôler la croissance de la torsion, spirales microscopiques de matériaux d'un seul atome d'épaisseur.

Les empilements en continu de matériaux bidimensionnels construits par une équipe dirigée par le professeur de chimie UW-Madison Song Jin créent de nouvelles propriétés que les scientifiques peuvent exploiter pour étudier la physique quantique à l'échelle nanométrique. Les chercheurs ont publié aujourd'hui leurs travaux dans la revue Science .

« C'est la frontière actuelle de la recherche sur les matériaux 2D. Au cours des dernières années, les scientifiques ont réalisé que lorsque vous faites une petite torsion entre les couches atomiques, généralement de quelques degrés, vous créez des propriétés physiques très intéressantes, comme la supraconductivité non conventionnelle. Par exemple, le matériau torsadé perd complètement sa résistance électrique à basse température, " dit Jin. " Les chercheurs considèrent ces matériaux quantiques 2-D, et appelez ce travail « twistronics ». »

Yuzhou Zhao, un étudiant diplômé et premier auteur de l'étude, dit que la pratique standard pour fabriquer des structures bidimensionnelles torsadées a consisté à empiler mécaniquement deux feuilles de matériaux minces l'une sur l'autre et à contrôler soigneusement l'angle de torsion entre elles à la main. Mais lorsque les chercheurs cultivent directement ces matériaux 2D, ils ne peuvent pas contrôler l'angle de torsion car les interactions entre les couches sont très faibles.

"Imaginez faire une pile de cartes à jouer qui se tordent continuellement. Si vous avez des doigts agiles, tu pourrais tordre les cartes, mais notre défi est de savoir comment faire tordre les couches atomiques de manière contrôlable par elles-mêmes à l'échelle nanométrique, " dit Jin.

L'équipe de Jin a découvert comment contrôler la croissance de ces structures nanométriques tordues en pensant en dehors de l'espace plat de la géométrie euclidienne.

La géométrie euclidienne forme la base mathématique du monde que nous connaissons. Il nous permet de penser le monde dans des plans plats, lignes droites et angles droits. En revanche, la géométrie non euclidienne décrit des espaces courbes dans lesquels les lignes sont courbes et la somme des angles dans un carré n'est pas de 360 ​​degrés. Les théories scientifiques qui expliquent le continuum espace-temps, comme la relativité générale d'Einstein, utiliser la géométrie non-euclidienne comme substrat rocheux. En pensant aux structures cristallines en dehors de la géométrie euclidienne, Jin dit, ouvre de nouvelles possibilités fascinantes.

Zhao et Jin ont créé des spirales torsadées en tirant parti d'un type d'imperfection dans les cristaux en croissance appelés dislocations de vis. Jin a étudié une telle croissance cristalline induite par la dislocation pendant des années et l'a utilisé pour expliquer, par exemple, la croissance des arbres de nanofils. Dans les matériaux 2D, les dislocations fournissent une avancée pour les couches suivantes de la structure alors qu'elle s'enroule comme une rampe de stationnement avec toutes les couches de l'empilement connectées, en alignant l'orientation de chaque couche.

Puis, afin de développer une structure en spirale non euclidienne et de faire tordre les spirales, L'équipe de Jin a changé la base à partir de laquelle leurs spirales ont grandi. Au lieu de faire pousser des cristaux sur un plan plat, Zhao a placé une nanoparticule, comme une particule d'oxyde de silicium, sous le centre de la spirale. Au cours du processus de croissance, la particule perturbe la surface plane et crée une base incurvée sur laquelle le cristal 2-D peut croître.

Ce que l'équipe a découvert, c'est qu'au lieu d'une spirale alignée où le bord de chaque couche est parallèle à la couche précédente, le cristal 2-D forme une torsion continue, spirale multicouche qui se tord de manière prévisible d'une couche à l'autre. L'angle de la torsion intercouche résulte d'un décalage entre les cristaux 2-D plats (euclidiens) et les surfaces incurvées (non euclidiennes) sur lesquelles ils se développent.

Zhao appelle le modèle dans lequel la structure en spirale se développe directement sur la nanoparticule, créer une base en forme de cône, une "spirale attachée". Lorsque la structure se développe sur une nanoparticule excentrée, comme une maison bâtie à flanc de montagne, c'est un motif en "spirale non fixée". Zhao a développé un modèle mathématique simple pour prédire les angles de torsion des spirales, basé sur la forme géométrique de la surface incurvée, et ses formes en spirale modélisées s'harmonisent bien avec les structures développées.

Après la découverte initiale, Paul Voyles, professeur de science des matériaux et d'ingénierie à l'UW-Madison, et son étudiant Chenyu Zhang ont étudié les spirales au microscope électronique pour confirmer l'alignement des atomes dans ces spirales torsadées. Leurs images ont montré que les atomes dans les couches torsadées voisines forment un motif d'interférence qui se chevauche attendu appelé motif moiré, ce qui donne également aux vêtements de soie en couches fines son éclat et son ondulation. Le professeur émérite de chimie John Wright et son laboratoire ont mené des études préliminaires suggérant le potentiel de propriétés optiques inhabituelles des spirales de torsion.

Les chercheurs ont utilisé des dichalcogénures de métaux de transition comme couches pour les spirales de torsion, mais le concept ne dépend pas de matériaux spécifiques, tant qu'il s'agit de matériaux 2D.

« Nous pouvons maintenant suivre un modèle rationnel enraciné dans les mathématiques pour créer un empilement de ces couches 2D avec un angle de torsion contrôlable entre chaque couche, et ils sont continus, " dit Zhao.

La synthèse directe de matériaux 2-D torsadés permettra d'étudier une nouvelle physique quantique dans ces matériaux "twistroniques" 2-D, que Jin et ses collaborateurs poursuivent sérieusement.

« Quand vous voyez que tout correspond parfaitement à un modèle mathématique simple et que vous pensez, 'Wow, ça marche vraiment, " ce genre de joie est la raison pour laquelle nous travaillons sur la recherche - ce moment " eurêka " où vous réalisez que vous apprenez maintenant quelque chose que personne d'autre n'a compris auparavant, " dit Jin.