octubre 18, 2021

Cristal con un giro: los científicos cultivan nuevos materiales en espiral

Los investigadores de UC Berkeley y Berkeley Lab crearon un nuevo cristal construido a partir de una pila en espiral de láminas de sulfuro de germanio atómicamente delgadas. 

Con un simple giro de los dedos, se puede crear una hermosa espiral a partir de una baraja de cartas. De la misma manera, los científicos de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han creado nuevos cristales inorgánicos hechos de pilas de láminas atómicamente delgadas que inesperadamente forman una espiral como una baraja de cartas a nanoescala.

han creado nuevos cristales inorgánicos hechos de pilas de láminas atómicamente delgadas que inesperadamente forman una espiral como una baraja de cartas a nanoescala.

Propiedades ópticas, electrónicas y térmicas únicas, incluida la superconductividad

Sus sorprendentes estructuras, informadas en un nuevo estudio que aparece en la revista Nature , pueden producir propiedades ópticas, electrónicas y térmicas únicas, incluida la superconductividad, dicen los investigadores.

Estos cristales helicoidales están hechos de capas apiladas de sulfuro de germanio, un material semiconductor que, como el grafeno, forma fácilmente láminas que tienen solo unos pocos átomos o incluso un átomo de espesor. Estas «nanohojas» suelen denominarse «materiales 2D».

“Nadie esperaba que los materiales 2D crecieran de esa manera. Es como un regalo sorpresa”, dijo Jie Yao, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. «Creemos que puede brindar grandes oportunidades para la investigación de materiales».

Si bien la forma de los cristales puede parecerse a la del ADN, cuya estructura helicoidal es fundamental para su trabajo de transportar información genética, su estructura subyacente es en realidad bastante diferente. A diferencia del ADN «orgánico», que se compone principalmente de átomos familiares como el carbono, el oxígeno y el hidrógeno, estos cristales «inorgánicos» están formados por elementos más remotos de la tabla periódica, en este caso, azufre y germanio. 

Y aunque las moléculas orgánicas a menudo adoptan todo tipo de formas estrafalarias, debido a las propiedades únicas de su componente principal, el carbono, las moléculas inorgánicas tienden más hacia lo recto y lo estrecho.

Para crear las estructuras retorcidas, el equipo aprovechó un defecto cristalino llamado dislocación de tornillo, un «error» en la estructura cristalina ordenada que le da un poco de fuerza de torsión. Este «Eshelby Twist», que lleva el nombre del científico John D. Eshelby, se ha utilizado para crear nanocables en espiral como pinos . Pero este estudio es la primera vez que el Eshelby Twist se ha utilizado para hacer cristales construidos con capas 2D apiladas de un semiconductor atómicamente delgado.

Los cristales helicoidales pueden producir nuevas propiedades sorprendentes, como la superconductividad 

En un gran descubrimiento el año pasado, los científicos informaron que el grafeno se vuelve superconductor cuando dos láminas atómicamente delgadas del material se apilan y se retuercen en lo que se llama un «ángulo mágico». 

Mientras que otros investigadores han logrado apilar dos capas a la vez, el nuevo documento proporciona una receta para sintetizar estructuras apiladas que tienen cientos de miles o incluso millones de capas de espesor en una forma de torsión continua.

“Observamos la formación de escalones discretos en el cristal retorcido, que transforma el cristal suavemente retorcido en escaleras circulares, un nuevo fenómeno asociado con el mecanismo Eshelby Twist”, dijo Yin Liu, coautor del artículo y estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. «Es bastante sorprendente cómo la interacción de materiales puede dar como resultado muchas geometrías hermosas y diferentes».

Al ajustar las condiciones y la longitud de la síntesis del material, los investigadores pudieron cambiar el ángulo entre las capas, creando una estructura retorcida que es apretada, como un resorte, o suelta, como un Slinky desenrollado. 

Cristales helicoidales

Y aunque el equipo de investigación demostró la técnica mediante el crecimiento de cristales helicoidales de sulfuro de germanio, probablemente podría usarse para hacer crecer capas de otros materiales que forman capas similares atómicamente delgadas.

“La estructura retorcida surge de una competencia entre la energía almacenada y el costo energético de deslizar dos capas de material entre sí”, dijo Daryl Chrzan, presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y teórico principal del artículo. «No hay razón para esperar que esta competencia se limite al sulfuro de germanio, y deberían ser posibles estructuras similares en otros sistemas de materiales 2D».

“El comportamiento retorcido de estos materiales en capas, típicamente con solo dos capas torcidas en diferentes ángulos, ya ha mostrado un gran potencial y atrajo mucha atención de las comunidades de física y química. 

Ahora, se vuelve muy intrigante descubrir, con todas estas capas retorcidas combinadas en nuestro nuevo material, si mostrarán propiedades materiales bastante diferentes a las del apilamiento regular de estos materiales”, dijo Yao. “Pero en este momento, tenemos una comprensión muy limitada de cuáles podrían ser estas propiedades, porque esta forma de material es muy nueva. Nos esperan nuevas oportunidades».

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *