Durante décadas, los científicos han estado investigando el potencial de los materiales bidimensionales para transformar nuestro mundo. Los materiales 2D tienen solo una capa de átomos de espesor. Dentro de ellos, las partículas subatómicas como los electrones solo pueden moverse en dos dimensiones. Esta simple restricción puede desencadenar un comportamiento inusual de los electrones, imbuyendo a los materiales de propiedades « exóticas » como formas extrañas de magnetismo, superconductividad y otros comportamientos colectivos entre los electrones, todo lo cual podría ser útil en computación, comunicación, energía y otros campos.

Pero los investigadores generalmente han asumido que estas exóticas propiedades 2D existen solo en hojas de una sola capa o pilas cortas. Las llamadas versiones « a granel » de estos materiales, con sus estructuras atómicas tridimensionales más complejas, deberían comportarse de manera diferente.

O eso pensaban.

En un artículo publicado el 19 de julio en Nature, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Washington informa que es posible impregnar el grafito, el material 3D a granel que se encuentra en los lápices n.° 2, con propiedades físicas similares a las del grafito 2D. grafeno. Este avance no solo fue inesperado, sino que el equipo también cree que su enfoque podría usarse para probar si tipos similares de materiales a granel también pueden adquirir propiedades similares a 2D. Si es así, las hojas 2D no serán la única fuente para que los científicos impulsen las revoluciones tecnológicas. Los materiales 3D a granel podrían ser igual de útiles.

« Apilar una capa sobre una capa, o dos capas sobre dos capas, ha sido el enfoque para desbloquear nueva física en materiales 2D durante varios años. En estos enfoques experimentales, ahí es donde surgen muchas propiedades interesantes », dijo el autor principal Matthew. Yankowitz, profesor asistente de física y ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington. « Pero, ¿qué sucede si sigues agregando capas? Eventualmente tiene que detenerse, ¿no? Eso es lo que sugiere la intuición. Pero en este caso, la intuición está equivocada. Es posible mezclar propiedades 2D en materiales 3D ».

El equipo, que también incluye investigadores de la Universidad de Osaka y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, adaptó un enfoque comúnmente utilizado para sondear y manipular las propiedades de los materiales 2D : apilar láminas 2D juntas en un pequeño ángulo de torsión. Yankowitz y sus colegas colocaron una sola capa de grafeno encima de un cristal de grafito grueso y delgado, y luego introdujeron un ángulo de giro de alrededor de 1 grado entre el grafito y el grafeno. Detectaron propiedades eléctricas novedosas e inesperadas no solo en la interfaz retorcida, sino también en lo profundo del grafito a granel.

El ángulo de giro es fundamental para generar estas propiedades, dijo Yankowitz, quien también es miembro de la facultad en el Instituto de Energía Limpia de la UW y el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la UW. Un ángulo de giro entre hojas 2D, como dos hojas de grafeno, crea lo que se llama un patrón muaré, que altera el flujo de partículas cargadas como electrones e induce propiedades exóticas en el material.

En los experimentos dirigidos por UW con grafito y grafeno, el ángulo de torsión también indujo un patrón muaré, con resultados sorprendentes. A pesar de que solo se retorció una sola hoja de grafeno sobre el cristal a granel, los investigadores descubrieron que las propiedades eléctricas de todo el material diferían notablemente del grafito típico. Y cuando encendieron un campo magnético, los electrones en lo profundo del cristal de grafito adoptaron propiedades inusuales similares a las de los electrones en la interfaz retorcida. Esencialmente, la interfaz de grafeno-grafito trenzado único se mezcló inextricablemente con el resto del grafito a granel.

« Aunque estábamos generando el patrón muaré solo en la superficie del grafito, las propiedades resultantes se filtraban por todo el cristal », dijo el coautor principal Dacen Waters, investigador postdoctoral en física de la UW.

Para hojas 2D, los patrones de muaré generan propiedades que podrían ser útiles para la computación cuántica y otras aplicaciones. La inducción de fenómenos similares en materiales 3D desbloquea nuevos enfoques para estudiar estados inusuales y exóticos de la materia y cómo sacarlos del laboratorio y llevarlos a nuestra vida cotidiana.

« Todo el cristal adquiere este estado 2D », dijo el coautor principal Ellis Thompson, estudiante de doctorado en física de la UW. « Esta es una forma fundamentalmente nueva de afectar el comportamiento de los electrones en un material a granel ».

Yankowitz y su equipo creen que su enfoque de generar un ángulo de torsión entre el grafeno y un cristal de grafito a granel podría usarse para crear híbridos 2D-3D de sus materiales hermanos, incluidos el ditellurida de tungsteno y la pentatellurida de circonio. Esto podría desbloquear un nuevo enfoque para la reingeniería de las propiedades de los materiales a granel convencionales utilizando una única interfaz 2D.

« Este método podría convertirse en un campo de juego realmente rico para estudiar nuevos y emocionantes fenómenos físicos en materiales con propiedades mixtas en 2D y 3D », dijo Yankowitz.

Los coautores del artículo son la estudiante graduada de la UW Esmeralda Arreguin-Martinez y el investigador postdoctoral de la UW Yafei Ren, ambos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Ting Cao, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington; Di Xiao, profesor de física de la UW y catedrático de ciencia e ingeniería de materiales; Manato Fujimoto de la Universidad de Osaka; y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias; el Departamento de Energía de los Estados Unidos; el Instituto de Energía Limpia de la UW; la Oficina del Director de Inteligencia Nacional; la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón; la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón; y MJ Murdock Charitable Trust.