В Twistronics Бразилия видит не только – резюме

Графен популярен. Правильно или плохо рекламируемый, технологический потенциал материала огромен из-за таких свойств, как легкость, гибкость, твердость и способность проводить электричество.

Несмотря на всю турбулентность, графен представляет собой не что иное, как чрезвычайно тонкий слой графита, толщиной всего в один атом. Впервые изолированные и детально охарактеризованные в 2004 году, его свойства вызвали волну исследований по всему миру, в том числе других двумерных и пластинчатых материалов.

«Материалы с ламеллярной структурой, такие как графен, многочисленны в природе. Мыльный камень из скульптур Алейджадиньо, например, имеет пластинчатую структуру. Они кажутся нам трехмерными, потому что сложены друг на друга, как графен в графите. Когда мы пишем карандашом, мы снимаем графит и маркируем нашу бумагу графеном », – объясняет Адо Жорио из Федерального университета Минас-Жерайс (UFMG).

Жорио возглавляет исследовательскую группу, чьи работы по графену 17 февраля заняли одно из самых спорных мест в мировой науке: обложку журнала Nature. Свойством, изучаемым группой, была сверхпроводимость, которая возникает, когда два листа графена уложены друг на друга и один из них повернут на угол точно 1,1 градуса.

Чтобы понять работу бразильской группы, давайте проведем простой эксперимент. Положите руки друг на друга ладонь к ладони. Теперь слегка поверните правую руку, проводя ею по левой руке.

С нашими руками ничего не происходит, кроме визуального смещения пальцев одной руки относительно пальцев другой. Однако, когда ученые делают то же самое с двумя листами графена, появляется мир новых возможностей.

Графен представляет собой плоский лист, в котором атомы углерода расположены в сетку в гексагональной структуре. Именно эта кристаллическая структура и, следовательно, электронные и колебательные структуры придают материалу его уникальные свойства.

«Электронная структура и вибрационная структура вместе определяют почти все свойства материалов», – объясняет Жорио. «Почему в очках свет проходит через линзу, а не через стержень?» Почему рубашка, которую вы носите, податливая, а оправа очков жесткая? Почему экран вашего мобильного телефона чувствителен к прикосновениям? », – спрашивает исследователь. «Ответ на все эти вопросы заключается в электронной и колебательной структуре каждого материала».

Изображение надстройки, созданной вращением одного листа графена поверх другого (Фото: Ponor, CC BY-SA 4.0, через Wikimedia Commons)

Вращение (твист, на английском языке) бислоя графена приводит к тому, что решетка становится сверхрешеткой, в которой меньшие шестиугольники исходной решетки становятся более крупной гексагональной структурой (как на картинке). Явление сверхпроводимости, возникшее в результате этого изменения, было экспериментально подтверждено в 2018 году, демонстрируя появление и потенциал новой научно-технической области – твистроники.

Адо Жорио говорит, что термин твистроник типичен для двумерных материалов. Он объясняет, как в трехмерном материале – например, в кубе – свойства имеют структуру внутри этого материала. Итак, если мы соединим два куба и повернемся относительно друг друга, мы сможем что-то изменить в контактирующих поверхностях, но не в том, что дальше, внутри. «Но когда мы берем материал толщиной в один атом и касаемся другого, влияние очень велико, и ориентация, с которой мы включаем, например, второй лист графена, угол, играет фундаментальную роль», – объясняет.

В случае графена именно поворот на 1,1 градуса делает материал сверхпроводящим. Хотя это было подтверждено в 2018 году, до сих пор нет теоретической модели, чтобы понять, почему происходит это явление, что необходимо для его контроля и, таким образом, чтобы однажды иметь возможность технологически применить его в устройствах повседневного использования. Именно в этом смысле понимание происходящего является вкладом статьи, опубликованной в Nature, результаты которой стали возможны только благодаря оборудованию, разработанному здесь, в Бразилии: наноскопу.

Жорио говорит, что сверхпроводимость, то есть существование материалов, которые проводят электричество без сопротивления и, следовательно, без потерь, объясняется тем, как электронная частица, проходящая через материал, связана с тем, как материал вибрирует. «Наноскоп впервые предоставил возможность генерировать изображения и характеристики электронной структуры и колебательной структуры с разрешением точно в наномасштабе. Теперь у других исследователей есть данные для разработки теоретической модели, объясняющей сверхпроводимость в круглом бислое графена, на основе электронных и колебательных свойств, которые мы демонстрируем такими, какие они есть », – объясняет исследователь.

Разрешение микроскопов не позволяет увидеть ничего меньше микрона. Таким образом, усиление наноскопа – это как раз возможность видеть структуры и явления, которые происходят порядка нанометра, то есть в масштабе в тысячу раз меньшем, чем микрон.

Емкость наноскопа в основном зависит от размера антенны, которая выполняет анализ исследуемого материала. «Мы создали наноантенну с особой технологией. Эта наноантенна работает намного лучше, чем любой другой наноскоп, существующий в мире, и, таким образом, позволяет получать изображения столь же информативные и богатые, как те, что представлены в статье », – объясняет профессор UFMG.

«Напротив, при математическом моделировании проблема заключается в том, что структуры в суперсети имеют большие размеры и, следовательно, требуют больших вычислительных мощностей», – добавляет Жорио. «Наша статья очень ценна как улучшением разрешения с экспериментальной точки зрения, так и тем фактом, что теоретики, которые работали с нами, создали модель, способную рассчитывать очень большие конструкции. возможность делать. “

Однако, несмотря на важность результатов для дальнейшего развития твистроники, еще не завтра у нас появятся энергопроводящие бислои графена.

«От появления нового предложения, которым является твистроникс, до способности доминировать в производстве этого типа материала, достаточно надежного для использования в технологических приложениях, все еще предстоит много исследований и много инженерных разработок. работайте заранее », – говорит Адо. Жорио. «Необходимо повернуть материал под точно определенным углом, до нужного вам размера внутри устройства, которое вам нужно, и стабильно, то есть не возвращая его в исходное положение. Для вас, чтобы быть в нашей повседневной жизни, я оцениваю диапазон от 10 до 50 лет. Не знаю, 10 или 50, но сомневаюсь, что это произойдет через 5 лет », – признается исследователь. «Но в настоящее время наноскоп – это технологическая реальность!» – заключает он.

В дополнение к группе UFMG, состоящей из исследователей и студентов из разных областей, сотрудников из Федерального университета Баии, Inmetro (Национального института метрологии, качества и технологий) и партнерских учреждений в Японии, США и Бельгии.

Back to top button