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Feb 16, 2024

Con una svolta: nuovi materiali compositi con proprietà elettriche e fisiche altamente modificabili

Di University of Utah14 giugno 2022 I matematici hanno scoperto che i motivi moiré formati ruotando e allungando un reticolo rispetto a un altro possono essere utilizzati per progettare una varietà di compositi

Di University of Utah14 giugno 2022

I matematici hanno scoperto che i motivi moiré formati dalla rotazione e dall'allungamento di un reticolo rispetto a un altro possono essere utilizzati per progettare una varietà di materiali compositi. Le loro caratteristiche elettriche e fisiche possono cambiare, a volte in modo drammatico, a seconda che i motivi moiré risultanti si ripetano regolarmente o non si ripetano.

Probabilmente hai familiarità con i motivi moiré, i modelli di interferenza su larga scala conosciuti in matematica, fisica e arte. Vengono creati sovrapponendo un motivo opaco rigato con spazi trasparenti su un altro motivo simile. Quando vengono ruotati o spostati, appare lo schema di interferenza.

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"}]">grafene, ruotato secondo l'angolo magico, possono emergere tutti i tipi di proprietà potenti come la superconduttività e il ferromagnetismo.

Ora gli scienziati hanno scoperto una nuova gamma di materiali compositi che possono essere progettati a partire da motivi moiré con caratteristiche elettriche e fisiche uniche.

Due cerchi concentrici, che si muovono parallelamente tra loro, creano motivi moiré. Credito: Jacopo Bertolotti

Guarda l'immagine qui sopra.

Osserva gli schemi creati mentre i cerchi si muovono l'uno sull'altro. Questi motivi, creati da due serie di linee sfalsate l'una dall'altra, sono chiamati effetti moiré (pronunciato mwar-AY). Come illusioni ottiche, i motivi moiré creano accurati simulazioni di movimento. Ma su scala atomica, quando un foglio di atomi disposti in un reticolo è leggermente spostato da un altro foglio, questi motivi moiré possono creare una fisica emozionante e importante con proprietà elettroniche interessanti e insolite.

I matematici dell'Università dello Utah hanno scoperto di poter progettare una gamma di materiali compositi partendo da motivi moiré creati ruotando e allungando un reticolo rispetto a un altro. Le loro proprietà elettriche e altre proprietà fisiche possono cambiare, a volte in modo abbastanza brusco, a seconda che i motivi moiré risultanti si ripetano regolarmente o non si ripetano. I loro risultati sono pubblicati in Communications Physics.

La matematica e la fisica di questi reticoli contorti si applicano a un'ampia varietà di proprietà dei materiali, afferma Kenneth Golden, illustre professore di matematica. “La teoria di base vale anche per i materiali su un’ampia gamma di scale di lunghezza, dai nanometri ai chilometri, dimostrando quanto ampio sia l’ambito per le potenziali applicazioni tecnologiche delle nostre scoperte”.

Disposizione frattale dei sistemi periodici. I punti identificano i valori dei parametri Moiré corrispondenti ai sistemi con microgeometria periodica, dove periodi brevi e grandi sono identificati rispettivamente da punti grandi e piccoli, rivelando disposizioni frattali autosimili di sistemi periodici. Credito: per gentile concessione di Ken Golden/Università dello Utah

Prima di arrivare a queste nuove scoperte, dovremo tracciare la storia di due concetti importanti: la geometria aperiodica e la twistronica.

La geometria aperiodica significa schemi che non si ripetono. Un esempio è il motivo di piastrellatura a rombi di Penrose. Se disegni un riquadro attorno a una parte del motivo e inizi a farlo scorrere in qualsiasi direzione, senza ruotarlo, non troverai mai una parte del motivo che corrisponda ad esso.