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Feb 16, 2024
Com uma reviravolta: novos materiais compostos com propriedades elétricas e físicas altamente ajustáveis
Pela Universidade de Utah, 14 de junho de 2022, matemáticos descobriram que padrões moiré formados pela rotação e alongamento de uma rede em relação a outra podem ser usados para projetar uma variedade de compostos
Por Universidade de Utah, 14 de junho de 2022
Os matemáticos descobriram que os padrões moiré formados pela rotação e alongamento de uma rede em relação a outra podem ser usados para projetar uma variedade de materiais compósitos. Suas características elétricas e outras características físicas podem mudar - às vezes dramaticamente - dependendo se os padrões moiré resultantes se repetem regularmente ou não.
Você provavelmente conhece os padrões moiré, os padrões de interferência em grande escala conhecidos em matemática, física e arte. Eles são criados sobrepondo um padrão opaco com lacunas transparentes sobre outro padrão semelhante. Quando eles são girados ou deslocados, o padrão de interferência aparece.
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, torcido no ângulo mágico, todos os tipos de propriedades poderosas podem surgir, como supercondutividade e ferromagnetismo.
Agora os cientistas descobriram uma nova gama de materiais compósitos que podem projetar a partir de padrões moiré com características elétricas e físicas únicas.
Dois círculos concêntricos, movendo-se paralelamente um ao outro, criam padrões moiré. Crédito: Jacopo Bertolotti
Veja a imagem acima.
Observe os padrões criados à medida que os círculos se movem entre si. Esses padrões, criados por dois conjuntos de linhas deslocadas um do outro, são chamados de efeitos moiré (pronuncia-se mwar-AY). Como ilusões de ótica, os padrões moiré criam simulações nítidas de movimento. Mas à escala atómica, quando uma folha de átomos disposta numa rede é ligeiramente deslocada de outra folha, estes padrões moiré podem criar alguma física excitante e importante com propriedades electrónicas interessantes e invulgares.
Matemáticos da Universidade de Utah descobriram que podem projetar uma variedade de materiais compósitos a partir de padrões moiré criados girando e esticando uma rede em relação a outra. Suas propriedades elétricas e outras propriedades físicas podem mudar - às vezes de forma bastante abrupta, dependendo se os padrões moiré resultantes se repetem regularmente ou não. Suas descobertas são publicadas na Communications Physics.
A matemática e a física destas redes torcidas aplicam-se a uma ampla variedade de propriedades dos materiais, diz Kenneth Golden, distinto professor de matemática. “A teoria subjacente também se aplica a materiais numa grande variedade de escalas de comprimento, desde nanómetros a quilómetros, demonstrando quão amplo é o âmbito para potenciais aplicações tecnológicas das nossas descobertas.”
Arranjo fractal de sistemas periódicos. Os pontos identificam valores de parâmetros Moiré correspondentes a sistemas com microgeometria periódica, onde períodos curtos e grandes são identificados por pontos grandes e pequenos, respectivamente, revelando arranjos fractais auto-semelhantes de sistemas periódicos. Crédito: Cortesia de Ken Golden/Universidade de Utah
Antes de chegarmos a estas novas descobertas, precisaremos traçar a história de dois conceitos importantes: geometria aperiódica e twistrónica.
Geometria aperiódica significa padrões que não se repetem. Um exemplo é o padrão de losangos de Penrose. Se você desenhar uma caixa ao redor de uma parte do padrão e começar a deslizá-la em qualquer direção, sem girá-la, você nunca encontrará uma parte do padrão que corresponda a ela.
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"}]"semiconductors used in computer chips. But for the aperiodic, disordered-looking patterns, the material can be a current-squashing insulator, “similar to the rubber on the handle of a tool that helps to eliminate electrical shock,” says David Morison, lead author of the study who recently finished his Ph.D. in Physics at the University of Utah under Golden’s supervision./p>