Блог

Feb 16, 2024

С изюминкой: новые композиционные материалы с легко настраиваемыми электрическими и физическими свойствами

Автор: Университет штата Юта, 14 июня 2022 г. Математики обнаружили, что муаровые узоры, образующиеся в результате вращения и растяжения одной решетки относительно другой, могут использоваться для создания различных композитных материалов.

Университет Юты, 14 июня 2022 г.

Математики обнаружили, что муаровые узоры, образующиеся в результате вращения и растяжения одной решетки относительно другой, могут использоваться для создания различных композиционных материалов. Их электрические и другие физические характеристики могут меняться — иногда резко — в зависимости от того, являются ли образующиеся муаровые узоры регулярно повторяющимися или неповторяющимися.

Вероятно, вы знакомы с муаровыми узорами — крупномасштабными интерференционными узорами, известными в математике, физике и искусстве. Они создаются путем наложения одного непрозрачного узора в линейку с прозрачными промежутками на другой аналогичный узор. При их повороте или смещении появляется интерференционная картина.

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"}]">графен, скрученный под магическим углом, может проявить всевозможные мощные свойства, такие как сверхпроводимость и ферромагнетизм.

Теперь ученые открыли новую линейку композитных материалов, которые они могут создавать из муаровых узоров с уникальными электрическими и физическими характеристиками.

Два концентрических круга, движущиеся параллельно друг другу, создают муаровые узоры. Фото: Якопо Бертолотти.

Посмотрите на изображение выше.

Следите за узорами, возникающими при движении кругов друг по другу. Эти узоры, созданные двумя наборами линий, смещенных друг от друга, называются эффектами муара (произносится как mwar-AY). Будучи оптическими иллюзиями, муаровые узоры создают аккуратную имитацию движения. Но на атомном уровне, когда один слой атомов, расположенных в решетке, слегка смещен относительно другого листа, эти муаровые узоры могут создать захватывающую и важную физику с интересными и необычными электронными свойствами.

Математики из Университета Юты обнаружили, что они могут создавать различные композиционные материалы на основе муаровых узоров, создаваемых вращением и растяжением одной решетки относительно другой. Их электрические и другие физические свойства могут меняться, иногда весьма резко, в зависимости от того, являются ли получаемые муаровые узоры регулярно повторяющимися или неповторяющимися. Их результаты опубликованы в журнале Communications Physics.

Математика и физика этих скрученных решеток применима к широкому спектру свойств материалов, говорит Кеннет Голден, выдающийся профессор математики. «Основная теория также справедлива для материалов в широком диапазоне масштабов длины, от нанометров до километров, демонстрируя, насколько широки возможности потенциального технологического применения наших результатов».

Фрактальное расположение периодических систем. Точки обозначают значения параметров муара, соответствующие системам с периодической микрогеометрией, где короткие и большие периоды обозначаются большими и маленькими точками соответственно, показывая самоподобные фрактальные расположения периодических систем. Фото: предоставлено Кеном Голденом/Университет Юты.

Прежде чем мы придем к этим новым открытиям, нам нужно обрисовать историю двух важных концепций: апериодической геометрии и твистроники.

Апериодическая геометрия означает закономерности, которые не повторяются. Примером может служить узор из ромбов Пенроуза. Если вы нарисуете рамку вокруг части узора и начнете перемещать ее в любом направлении, не вращая, вы никогда не найдете часть узора, соответствующую ей.