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Feb 16, 2024

Con un giro: nuevos materiales compuestos con propiedades físicas y eléctricas altamente ajustables

Por la Universidad de Utah 14 de junio de 2022 Los matemáticos han descubierto que los patrones muaré formados al rotar y estirar una red con respecto a otra se pueden usar para diseñar una variedad de compuestos

Por Universidad de Utah14 de junio de 2022

Los matemáticos han descubierto que los patrones muaré formados al rotar y estirar una red con respecto a otra pueden usarse para diseñar una variedad de materiales compuestos. Sus características eléctricas y otras características físicas pueden cambiar, a veces dramáticamente, dependiendo de si los patrones muaré resultantes se repiten regularmente o no.

Probablemente esté familiarizado con los patrones muaré, los patrones de interferencia a gran escala conocidos en matemáticas, física y arte. Se crean superponiendo un patrón opaco rayado con espacios transparentes sobre otro patrón similar. Cuando se giran o desplazan, aparece el patrón de interferencia.

Moiré patterns have shown to be especially useful with 2D-materials, single layer materials are lattices consisting of a single layer of atoms. Graphene, a single layer of atoms arranged in a two-dimensional honeycomb lattice nanostructure is one of the most well-known 2D-materials. When you take two stacked layers of grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">grafeno, retorcido en el ángulo mágico, pueden surgir todo tipo de propiedades poderosas, como la superconductividad y el ferromagnetismo.

Ahora los científicos han descubierto una nueva gama de materiales compuestos que pueden diseñar a partir de patrones muaré con características eléctricas y físicas únicas.

Dos círculos concéntricos, que se mueven paralelos entre sí, crean patrones muaré. Crédito: Jacopo Bertolotti

Mira la imagen de arriba.

Esté atento a los patrones creados a medida que los círculos se cruzan entre sí. Esos patrones, creados por dos conjuntos de líneas desplazadas entre sí, se denominan efectos muaré (pronunciado mwar-AY). Como ilusiones ópticas, los patrones muaré crean claras simulaciones de movimiento. Pero a escala atómica, cuando una hoja de átomos dispuestos en una red está ligeramente desplazada de otra hoja, estos patrones muaré pueden crear una física interesante e importante con propiedades electrónicas interesantes e inusuales.

Matemáticos de la Universidad de Utah han descubierto que pueden diseñar una variedad de materiales compuestos a partir de patrones muaré creados girando y estirando una red con respecto a otra. Sus propiedades eléctricas y otras propiedades físicas pueden cambiar, a veces de forma bastante abrupta, dependiendo de si los patrones muaré resultantes se repiten regularmente o no. Sus hallazgos se publican en Communications Physics.

Las matemáticas y la física de estas redes retorcidas se aplican a una amplia variedad de propiedades materiales, dice Kenneth Golden, distinguido profesor de matemáticas. "La teoría subyacente también es válida para materiales en una amplia gama de escalas de longitud, desde nanómetros hasta kilómetros, lo que demuestra cuán amplio es el alcance de las posibles aplicaciones tecnológicas de nuestros hallazgos".

Disposición fractal de sistemas periódicos. Los puntos identifican valores de parámetros Moiré correspondientes a sistemas con microgeometría periódica, donde los períodos cortos y grandes se identifican mediante puntos grandes y pequeños, respectivamente, revelando disposiciones fractales autosimilares de sistemas periódicos. Crédito: Cortesía de Ken Golden/Universidad de Utah

Antes de llegar a estos nuevos hallazgos, necesitaremos trazar la historia de dos conceptos importantes: geometría aperiódica y twistrónica.

La geometría aperiódica significa patrones que no se repiten. Un ejemplo es el patrón de mosaico de rombos de Penrose. Si dibujas un cuadro alrededor de una parte del patrón y comienzas a deslizarlo en cualquier dirección, sin girarlo, nunca encontrarás una parte del patrón que coincida.

Los patrones aperiódicos diseñados hace más de 1000 años aparecieron en los mosaicos de Girih utilizados en la arquitectura islámica. Más recientemente, a principios de los años 1980, el científico de materiales Dan Shechtman descubrió un cristal con una estructura atómica aperiódica. Esta cristalografía revolucionó, ya que la definición clásica de cristal incluye solo patrones atómicos que se repiten regularmente, y le valió a Shechtman el Premio Nobel de Química de 2011.

Bien, pasemos ahora a la Twistrónica, un campo que también tiene un Nobel en su linaje. En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por descubrir el grafeno, un material formado por una sola capa de átomos de carbono en una red que parece alambre de gallinero. El grafeno en sí tiene su propio conjunto de propiedades interesantes, pero en los últimos años los físicos han descubierto que cuando se apilan dos capas de grafeno y se gira ligeramente una, el material resultante se convierte en un superconductor que también resulta ser extraordinariamente fuerte. Este campo de estudio de las propiedades electrónicas del grafeno bicapa retorcido se llama “twistrónica”.

En el nuevo estudio, Golden y sus colegas imaginaron algo diferente. Es como la twistrónica, pero en lugar de dos capas de átomos, los patrones muaré formados a partir de redes de interferencia determinan cómo dos componentes materiales diferentes, como un buen conductor y uno malo, se organizan geométricamente en un material compuesto. Llaman al nuevo material un "compuesto bicapa retorcido", ya que una de las redes está retorcida y/o estirada en relación con la otra. Al explorar las matemáticas de dicho material, descubrieron que los patrones muaré producían algunas propiedades sorprendentes.

"A medida que el ángulo de torsión y los parámetros de escala varían, estos patrones producen innumerables microgeometrías, con cambios muy pequeños en los parámetros que causan cambios muy grandes en las propiedades del material", dice Ben Murphy, coautor del artículo y profesor asistente adjunto de matemáticas.

Twisting one lattice just two degrees, for example, can cause the moiré patterns to go from regularly repeating to non-repeating—and even appear to be randomly disordered, although all the patterns are non-random. If the pattern is ordered and periodic, the material can conduct electrical current very well or not at all, displaying on/off behavior similar to semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Semiconductores utilizados en chips de computadora. Pero en el caso de los patrones aperiódicos y de apariencia desordenada, el material puede ser un aislante que aplasta la corriente, "similar a la goma del mango de una herramienta que ayuda a eliminar las descargas eléctricas", dice David Morison, autor principal del estudio que recientemente terminó su doctorado. en Física en la Universidad de Utah bajo la supervisión de Golden.

Este tipo de transición abrupta de conductor eléctrico a aislante recordó a los investigadores otro descubrimiento ganador del Nobel: la transición de localización de Anderson para conductores cuánticos. Ese descubrimiento, que ganó el Premio Nobel de Física en 1977, explica cómo un electrón puede moverse libremente a través de un material (un conductor) o quedar atrapado o localizado (un aislante), utilizando las matemáticas de la dispersión y la interferencia de ondas.

Sin embargo, Golden dice que las ecuaciones de ondas cuánticas que utilizó Anderson no funcionan en la escala de estos compuestos bicapa retorcidos, por lo que debe haber algo más para crear este efecto conductor/aislante. "Observamos una transición de localización impulsada por la geometría que no tiene nada que ver con la dispersión de ondas o los efectos de interferencia, lo cual es un descubrimiento sorprendente e inesperado", dice Golden.

Las propiedades electromagnéticas de estos nuevos materiales varían tanto con sólo pequeños cambios en el ángulo de torsión que algún día los ingenieros podrán usar esa variación para ajustar con precisión las propiedades de un material y seleccionar, por ejemplo, las frecuencias visibles de la luz (también conocidas como colores) que el material mostrará. permitirá pasar y las frecuencias que bloqueará.

"Además, nuestro marco matemático se aplica al ajuste de otras propiedades de estos materiales, como las magnéticas, difusivas y térmicas, así como ópticas y eléctricas", dice la profesora de matemáticas y coautora del estudio Elena Cherkaev, "y apunta hacia la posibilidad de comportamiento similar en análogos acústicos y otros mecánicos”.

Referencia: “Orden del desorden en compuestos cuasiperiódicos” por David Morison, N. Benjamin Murphy, Elena Cherkaev y Kenneth M. Golden, 14 de junio de 2022, Communications Physics.DOI: 10.1038/s42005-022-00898-z