Les chercheurs de l'UC Berkeley et du Berkeley Lab ont créé un nouveau cristal constitué d'un empilement en spirale de feuilles de sulfure de germanium atomiquement minces. Crédit :Image de l'UC Berkeley par Yin Liu
Avec une simple torsion des doigts, on peut créer une belle spirale à partir d'un jeu de cartes. De la même manière, scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont créé de nouveaux cristaux inorganiques constitués d'empilements de feuilles atomiquement minces qui spiralent de manière inattendue comme un jeu de cartes à l'échelle nanométrique.
Leurs structures surprenantes, rapporté dans une nouvelle étude publiée en ligne mercredi, 20 juin dans la revue La nature , peut produire une optique unique, propriétés électroniques et thermiques, y compris la supraconductivité, disent les chercheurs.
Ces cristaux hélicoïdaux sont constitués de couches empilées de sulfure de germanium, un matériau semi-conducteur qui, comme le graphène, forme facilement des feuilles qui n'ont que quelques atomes ou même un seul atome d'épaisseur. De telles "nanofeuilles" sont généralement appelées "matériaux 2-D".
"Personne ne s'attendait à ce que les matériaux 2D se développent de cette manière. C'est comme un cadeau surprise, " dit Jie Yao, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Nous pensons que cela peut apporter de grandes opportunités pour la recherche sur les matériaux."
Alors que la forme des cristaux peut ressembler à celle de l'ADN, dont la structure hélicoïdale est essentielle à son travail de transport de l'information génétique, leur structure sous-jacente est en fait assez différente. Contrairement à l'ADN "organique", qui est principalement constitué d'atomes familiers comme le carbone, oxygène et hydrogène, ces cristaux "inorganiques" sont constitués d'éléments plus éloignés du tableau périodique - dans ce cas, soufre et germanium. Et tandis que les molécules organiques prennent souvent toutes sortes de formes loufoques, en raison des propriétés uniques de leur composant principal, carbone, les molécules inorganiques tendent davantage vers le droit et l'étroit.
Pour créer les structures torsadées, l'équipe a profité d'un défaut cristallin appelé luxation de vis, une "erreur" dans la structure cristalline ordonnée qui lui donne un peu une force de torsion. Ce "Eshelby Twist, " nommé d'après le scientifique John D. Eshelby, a été utilisé pour créer des nanofils en spirale comme des pins. Mais cette étude est la première fois que l'Eshelby Twist est utilisé pour fabriquer des cristaux constitués de couches 2D empilées d'un semi-conducteur atomiquement mince.
Les cristaux hélicoïdaux peuvent donner de nouvelles propriétés surprenantes, comme la supraconductivité. Crédit :Image de l'UC Berkeley par Yin Liu
"D'habitude, les gens détestent les défauts d'un matériau - ils veulent avoir un cristal parfait, " dit Yao, qui est également chercheur universitaire au Berkeley Lab. "Mais il s'avère que, cette fois, nous devons remercier les défauts. Ils nous ont permis de créer une torsion naturelle entre les couches de matériaux."
Dans une découverte majeure l'année dernière, les scientifiques ont rapporté que le graphène devient supraconducteur lorsque deux feuilles atomiquement minces du matériau sont empilées et tordues à ce qu'on appelle un "angle magique". Alors que d'autres chercheurs ont réussi à empiler deux couches à la fois, le nouveau papier fournit une recette pour synthétiser des structures empilées qui sont des centaines de milliers, voire des millions de couches d'épaisseur d'une manière en torsion continue.
"Nous avons observé la formation de marches discrètes dans le cristal torsadé, qui transforme le cristal doucement torsadé en escaliers circulaires, un nouveau phénomène associé au mécanisme Eshelby Twist, " dit Yin Liu, co-premier auteur de l'article et étudiant diplômé en science et ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. « C'est assez étonnant de voir à quel point l'interaction des matériaux peut donner lieu à de nombreux, belles géométries."
En ajustant les conditions et la durée de synthèse du matériau, les chercheurs pourraient changer l'angle entre les couches, créer une structure torsadée qui est serrée, comme un printemps, ou lâche, comme un Slinky déroulé. Et tandis que l'équipe de recherche a démontré la technique en faisant croître des cristaux hélicoïdaux de sulfure de germanium, il pourrait probablement être utilisé pour faire croître des couches d'autres matériaux qui forment des couches atomiquement minces similaires.
Micrographie d'un nanofil avec une torsion d'Eshelby (en médaillon) cultivée spontanément dans une structure semblable à de l'ADN à l'échelle microscopique. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
"La structure torsadée résulte d'une compétition entre l'énergie stockée et le coût énergétique du glissement de deux couches de matériau l'une par rapport à l'autre, " dit Daryl Chrzan, président du Département de science et génie des matériaux et théoricien principal sur le papier. "Il n'y a aucune raison de s'attendre à ce que cette concurrence se limite au sulfure de germanium, et des structures similaires devraient être possibles dans d'autres systèmes de matériaux 2D."
"Le comportement en torsion de ces matériaux stratifiés, généralement avec seulement deux couches torsadées à des angles différents, a déjà montré un grand potentiel et a beaucoup attiré l'attention des communautés de physique et de chimie. Maintenant, il devient très intriguant de le découvrir, avec toutes ces couches torsadées combinées dans notre nouveau matériau, s'ils présentent des propriétés matérielles assez différentes de celles de l'empilement régulier de ces matériaux, " dit Yao. " Mais en ce moment, nous avons une compréhension très limitée de ce que pourraient être ces propriétés, parce que cette forme de matériau est si nouvelle. De nouvelles opportunités nous attendent."
