Химия

Кристалл с изюминкой: ученые выращивают по спирали новый материал

Кристалл с изюминкой: ученые выращивают по спирали новый материал
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Berkeley Lab создали новый кристалл, построенный из спиральной стопки атомарно тонких листов сульфида Германия. (Изображения Беркли Инь Лю)

Простым поворотом пальцев можно создать красивую спираль из колоды карт. Таким же образом ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) создали новые неорганические кристаллы, состоящие из стопок атомарно тонких листов, которые неожиданно закручиваются, как колода наноразмерных карт.

Их удивительные структуры, о которых сообщается в новом исследовании, опубликованном в среду, 20 июня, в журнале Nature, могут дать уникальные оптические, электронные и тепловые свойства, в том числе сверхпроводимость, говорят исследователи.

Эти спиральные кристаллы сделаны из сложенных слоев сульфида германия, полупроводникового материала, который, подобно графену, легко образует листы толщиной всего несколько атомов или даже один атом. Такие «наноленты» обычно называют «2D материалами».

«Никто не ожидал, что 2D-материалы будут расти таким образом. Это как подарок-сюрприз », — сказал Джи Яо, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Мы считаем, что это может принести большие возможности для исследования материалов».

Хотя форма кристаллов может напоминать форму ДНК, спиральная структура которой является критической для ее работы по переносу генетической информации, их базовая структура на самом деле совершенно иная. В отличие от «органической» ДНК, которая в основном состоит из знакомых атомов, таких как углерод, кислород и водород, эти «неорганические» кристаллы построены из более удаленных элементов таблицы Менделеева — в данном случае серы и германия. И хотя органические молекулы часто принимают всевозможные изумительные формы, благодаря уникальным свойствам их первичного компонента, углерод, неорганические молекулы стремятся больше к прямой и узкой.

Кристалл с изюминкой: ученые выращивают по спирали новый материал
Спиральные кристаллы могут давать удивительные новые свойства, такие как сверхпроводимость. (UC Berkeley, изображение Инь Лю)

Чтобы создать скрученные структуры, команда воспользовалась дефектом кристалла, называемым винтовой дислокацией, «ошибкой» в упорядоченной кристаллической структуре, которая придает ей немного скручивающей силы. Этот «поворот Эшелби», названный в честь ученого Джона Д. Эшелби, был использован для создания нанопроводов, которые спиральны, как сосны. Но это исследование — первый случай, когда закрутка Эшелби использовалась для изготовления кристаллов, построенных из сложенных 2D слоев из атомарно тонкого полупроводника.

«Обычно люди ненавидят дефекты в материале — они хотят иметь идеальный кристалл», — сказал Яо, который также является преподавателем в лаборатории Беркли. «Но оказывается, что на этот раз мы должны поблагодарить недостатки. Они позволили нам создать естественный поворот между слоями материала ».

В одном крупном открытии прошлого года ученые сообщили, что графен становится сверхпроводящим, когда два атомно тонких листа материала сложены и скручены под так называемым «магическим углом». В то время как другим исследователям удалось сложить два слоя одновременно, новая статья обеспечивает рецепт для синтеза сложенных структур, которые имеют сотни тысяч или даже миллионы слоев в непрерывно скручивающемся способе.

«Мы наблюдали образование дискретных ступеней в скрученном кристалле, который превращает гладко скрученный кристалл в круговые лестницы, новое явление, связанное с механизмом закрутки Эшелби», — сказал Инь Лю, соавтор статьи и аспирант в материаловедение и инженерия в Калифорнийском университете в Беркли. «Удивительно, как взаимодействие материалов может привести к множеству разных, красивых геометрий».

Регулируя условия синтеза материала и длину, исследователи могли изменять угол между слоями, создавая скрученную структуру, которая была бы тугой, как пружина, или рыхлой, как нескрученный Слинки. И хотя исследовательская группа продемонстрировала эту методику, выращивая спиральные кристаллы сульфида германия, она, вероятно, могла бы использоваться для выращивания слоев других материалов, которые образуют подобные атомно тонкие слои.

«Искривленная структура возникает из-за конкуренции между накопленной энергией и затратами энергии на скольжение двух слоев материала относительно друг друга», — сказал Дэрил Хрзан, председатель Департамента материаловедения и инженерии и старший теоретик в работе. «Нет оснований ожидать, что эта конкуренция ограничена сульфидами германия, и подобные структуры должны быть возможны в других системах 2D материалов».

«Поворотное поведение этих слоистых материалов, обычно только с двумя слоями, скрученными под разными углами, уже продемонстрировало большой потенциал и привлекло большое внимание со стороны физики и химии. Теперь становится очень интригующим узнать, со всеми этими скрученными слоями, объединенными в нашем новом материале, будут ли они демонстрировать совершенно другие свойства материала, чем обычная укладка этих материалов », — сказал Яо. «Но в настоящий момент у нас очень ограниченное понимание того, какими могут быть эти свойства, потому что эта форма материала настолько нова. Новые возможности ждут нас ».

Среди других соавторов статьи Су Су Джунг Ким и Хаой Сан из Калифорнийского университета в Беркли и Джи Ван из Аргоннской национальной лаборатории. Другими авторами являются Фуй Янг, Цзысуань Фан, Руопенг Чжан, Бо З. Сюй, Майкл Ван, Шурен Лин, Кайл Б. Том, Ян Дэн, Роберт О. Ричи, Эндрю М. Майнор и Мэри С. Скотт из Калифорнийского университета в Беркли; Нобумичи Тамура, Сяохуэй Сун, Цинь Юй, Джон Тернер и Эмори Чан из лаборатории Беркли, а также Цзяньго Вэнь и Дафей Цзинь из Аргоннской национальной лаборатории.

Работа в Молекулярном литейном цехе Лаборатории Беркли и Усовершенствованном источнике света была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США и Отделением фундаментальных энергетических наук по контракту №. DE-AC02-05CH11231. Исследование также было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, Отделом фундаментальных энергетических наук и материаловедения и инженерии в рамках контракта №. DE-AC02-244 05CH11231 в рамках Программы электронных материалов (KC1201).

По материалам

new-science.ru

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть