Nye, svært justerbare komposittmaterialer – med en vri

Se etter mønstrene som lages når sirklene beveger seg over hverandre. Disse mønstrene, skapt av to sett med linjer forskjøvet fra hverandre, kalles moiré (uttales mwar-AY) effekter. Som optiske illusjoner skaper moiré-mønstre pene simuleringer av bevegelse. Men på atomskala, når ett ark med atomer arrangert i et gitter er litt forskjøvet fra et annet ark, kan disse moiré-mønstrene skape spennende og viktig fysikk med interessante og uvanlige elektroniske egenskaper.

Matematikere ved University of Utah har funnet ut at de kan designe en rekke komposittmaterialer fra moiré mønstre opprettet ved å rotere og strekke ett gitter i forhold til et annet. Deres elektriske og andre fysiske egenskaper kan endres – noen ganger ganske brått, avhengig av om de resulterende moiré-mønstrene gjentas regelmessig eller ikke. Funnene deres er publisert i Kommunikasjonsfysikk.

Matematikken og fysikken til disse vridde gittrene gjelder en lang rekke materialegenskaper, sier Kenneth Golden, en fremtredende professor i matematikk. “Den underliggende teorien gjelder også for materialer på et stort spekter av lengdeskalaer, fra nanometer til kilometer, og viser hvor bredt omfanget er for potensielle teknologiske anvendelser av funnene våre.”

Med en vri

Før vi kommer til disse nye funnene, må vi kartlegge historien til to viktige konsepter: aperiodisk geometri og twistronikk.

Aperiodisk geometri betyr mønstre som ikke gjentar seg. Et eksempel er Penrose-flisemønsteret til romber. Hvis du tegner en boks rundt en del av mønsteret og begynner å skyve den i en hvilken som helst retning, uten å rotere den, vil du aldri finne en del av mønsteret som passer til det.

Aperiodiske mønstre designet for over 1000 år siden dukket opp i Girih-fliser brukt i islamsk arkitektur. Mer nylig, på begynnelsen av 1980-tallet, oppdaget materialforsker Dan Shechtman en krystall med en aperiodisk atomstruktur. Denne revolusjonerte krystallografien, siden den klassiske definisjonen av en krystall bare inkluderer regelmessig gjentatte atommønstre, og ga Shechtman Nobelprisen i kjemi i 2011.

Ok, nå til twistronics, et felt som også har en Nobel i sin avstamning. I 2010 vant Andre Geim og Konstantin Novoselov Nobelprisen i fysikk for å oppdage grafen, et materiale som er laget av et enkelt lag med karbonatomer i et gitter som ser ut som hønsenetting. Grafen i seg selv har sin egen serie med interessante egenskaper, men de siste årene har fysikere funnet ut at når du stabler to lag med grafen og snur ett litt, blir det resulterende materialet en superleder som tilfeldigvis også er usedvanlig sterk. Dette studiefeltet av de elektroniske egenskapene til vridd tolags grafen kalles “twistronics”.

To-fase kompositter

I den nye studien så Golden og kollegene for seg noe annerledes. Det er som twistronikk, men i stedet for to lag med atomer, bestemmer moirémønstrene dannet fra interfererende gitter hvordan to forskjellige materialkomponenter, som en god leder og en dårlig, er ordnet geometrisk i en komposittmateriale. De kaller det nye materialet en “twisted tolayer composite”, siden det ene gitteret er vridd og/eller strukket i forhold til det andre. Ved å utforske matematikken til et slikt materiale fant de ut at moiré-mønstre ga noen overraskende egenskaper.

“Ettersom vrivinkel- og skalaparametrene varierer, gir disse mønstrene utallige mikrogeometrier, med svært små endringer i parametrene som forårsaker veldig store endringer i materialegenskaper,” sier Ben Murphy, medforfatter av papiret og adjunkt assisterende professor i matematikk.

Å vri ett gitter bare to grader, for eksempel, kan føre til at moiré-mønstrene går fra regelmessig til ikke-gjentakelse – og til og med ser ut til å være tilfeldig uordnet, selv om alle mønstrene er ikke-tilfeldige. Hvis mønsteret er ordnet og periodisk, kan materialet lede elektrisk strøm veldig bra eller ikke i det hele tatt, viser av/på-atferd som ligner på halvledere som brukes i databrikker. Men for de aperiodiske, uordnede mønstrene kan materialet være en strømklemmende isolator, “lik gummien på håndtaket til et verktøy som hjelper til med å eliminere elektrisk støt,” sier David Morison, hovedforfatter av studien som nylig fullførte sin Ph.D. i fysikk ved University of Utah under Goldens veiledning.

Denne typen brå overgang fra elektrisk leder til isolator minnet forskerne om nok en nobelvinnende oppdagelse: Anderson-lokaliseringsovergangen for kvanteledere. Denne oppdagelsen, som vant Nobelprisen i fysikk i 1977, forklarer hvordan et elektron kan bevege seg fritt gjennom et materiale (en leder) eller bli fanget eller lokalisert (en isolator), ved å bruke matematikken til bølgespredning og interferens. Men Golden sier at kvantebølgeligningene Anderson brukte ikke fungerer på skalaen til disse vridde tolags-komposittene, så det må være noe annet på gang for å skape denne leder/isolatoreffekten. “Vi observerer en geometridrevet lokaliseringsovergang som ikke har noe å gjøre med bølgespredning eller interferenseffekter, noe som er en overraskende og uventet oppdagelse,” sier Golden.

De elektromagnetiske egenskapene til disse nye materialene varierer så mye med bare små endringer i vrivinkelen at ingeniører en dag kan bruke den variasjonen til å justere egenskapene til et materiale nøyaktig og velge for eksempel de synlige lysfrekvensene (aka farger) som materialet vil la den passere og frekvensene den vil blokkere.

“I tillegg gjelder vårt matematiske rammeverk for å justere andre egenskaper ved disse materialene, som magnetiske, diffusive og termiske, så vel som optiske og elektriske,” sier professor i matematikk og studiemedforfatter Elena Cherkaev, “og peker på muligheten for lignende oppførsel i akustiske og andre mekaniske analoger.”

---

---