En los últimos años, los ingenieros han encontrado formas de modificar las propiedades de algunos materiales "bidimensionales", que tienen solo uno o unos pocos átomos de espesor, apilando dos capas juntas y rotando una ligeramente en relación con la otra. Esto crealo que se conoce como patrones muaré, donde pequeños cambios en la alineación de los átomos entre las dos hojas crean patrones a mayor escala. También cambia la forma en que los electrones se mueven a través del material, de formas potencialmente útiles.
Pero para aplicaciones prácticas, estos materiales bidimensionales deben conectarse en algún momento con el mundo ordinario de los materiales 3D. Un equipo internacional liderado por investigadores del MIT ha ideado una forma de obtener imágenes de lo que sucede en estas interfaces, hastael nivel de átomos individuales, y de correlacionar los patrones muaré en el límite 2D-3D con los cambios resultantes en las propiedades del material.
Los nuevos hallazgos se describen hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Kate Reidy y Georgios Varnavides, los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Frances Ross, Jim LeBeau y Polina Anikeeva, y otros cinco en el MIT, la Universidad de Harvard y la Universidad de Victoria en Canadá.
Los pares de materiales bidimensionales como el grafeno o el nitruro de boro hexagonal pueden exhibir variaciones asombrosas en su comportamiento cuando las dos hojas están ligeramente torcidas entre sí. Eso hace que las redes atómicas en forma de alambre de gallina formen patrones muaré,el tipo de bandas y manchas extrañas que a veces aparecen al tomar una fotografía de una imagen impresa o a través de una pantalla de ventana. En el caso de los materiales 2D, "parece cualquier cosa, todas las propiedades interesantes de los materiales que se te ocurran, de alguna maneramodular o cambiar girando los materiales 2D entre sí ", dice Ross, quien es la profesora Ellen Swallow Richards en el MIT.
Si bien estos emparejamientos 2D han atraído la atención científica en todo el mundo, dice, se sabe poco sobre lo que sucede cuando los materiales 2D se encuentran con los sólidos 3D regulares. "Lo que nos interesó en este tema", dice Ross, fue "lo que sucede cuando un 2Dmaterial y un material 3D se juntan. En primer lugar, ¿cómo se miden las posiciones atómicas en la interfaz y cerca de ella? En segundo lugar, ¿cuáles son las diferencias entre una interfaz 3D-2D y una 2D-2D? Y, en tercer lugar, ¿cómo se puedecontrolarlo: ¿hay alguna manera de diseñar deliberadamente la estructura interfacial "para producir las propiedades deseadas?
Averiguar exactamente qué sucede en tales interfaces 2D-3D fue un desafío abrumador porque los microscopios electrónicos producen una imagen de la muestra en proyección y tienen una capacidad limitada para extraer la información de profundidad necesaria para analizar los detalles de la estructura de la interfaz.Pero el equipo descubrió un conjunto de algoritmos que les permitieron extrapolar las imágenes de la muestra, que se parecen un poco a un conjunto de sombras superpuestas, para averiguar qué configuración de capas apiladas produciría esa "sombra" compleja.
El equipo utilizó dos microscopios electrónicos de transmisión únicos en el MIT que permiten una combinación de capacidades inigualable en el mundo. En uno de estos instrumentos, un microscopio se conecta directamente a un sistema de fabricación para que las muestras puedan ser producidas en el sitio porprocesos de deposición e inmediatamente alimentados directamente en el sistema de imágenes. Esta es una de las pocas instalaciones de este tipo en todo el mundo, que utilizan un sistema de vacío ultra alto que evita que incluso las impurezas más pequeñas contaminen la muestra mientras se prepara la interfaz 2D-3D.El segundo instrumento es un microscopio electrónico de transmisión de barrido ubicado en la nueva instalación de investigación del MIT, MIT.nano. Este microscopio tiene una estabilidad sobresaliente para imágenes de alta resolución, así como múltiples modos de imágenes para recolectar información sobre la muestra.
A diferencia de los materiales 2D apilados, cuyas orientaciones se pueden cambiar con relativa facilidad simplemente levantando una capa, girándola ligeramente y colocándola de nuevo, los enlaces que mantienen unidos los materiales 3D son mucho más fuertes, por lo que el equipo tuvo que desarrollar nuevas formas deobteniendo capas alineadas. Para hacer esto, agregaron el material 3D al material 2D en ultra alto vacío, eligiendo condiciones de crecimiento donde las capas se autoensamblaban en una orientación reproducible con grados específicos de torsión. "Tuvimos que hacer crecer una estructura que ibaestar alineados de cierta manera ", dice Reidy.
Habiendo cultivado los materiales, tuvieron que descubrir cómo revelar las configuraciones atómicas y las orientaciones de las diferentes capas. Un microscopio electrónico de transmisión de barrido en realidad produce más información de la que es aparente en una imagen plana; de hecho, cada punto en elLa imagen contiene detalles de las rutas por las que los electrones llegaron y partieron el proceso de difracción, así como cualquier energía que los electrones perdieron en el proceso. Todos estos datos se pueden separar para que la información en todos los puntos de una imagense puede utilizar para decodificar la estructura sólida real. Este proceso solo es posible para microscopios de última generación, como el de MIT.nano, que genera una sonda de electrones que es inusualmente estrecha y precisa.
Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas llamadas 4D STEM y contraste de fase diferencial integrado para lograr ese proceso de extraer la estructura completa en la interfaz de la imagen. Luego, dice Varnavides, preguntaron: "Ahora que podemos obtener una imagen de la estructura completaen la interfaz, ¿qué significa esto para nuestra comprensión de las propiedades de esta interfaz? "Los investigadores demostraron a través del modelado que se espera que las propiedades electrónicas se modifiquen de una manera que solo se puede entender si se incluye la estructura completa de la interfaz enla teoría física. "Lo que encontramos es que de hecho este apilamiento, la forma en que los átomos se apilan fuera del plano, modula las propiedades electrónicas y de densidad de carga", dice.
Ross dice que los hallazgos podrían ayudar a mejorar los tipos de uniones en algunos microchips, por ejemplo. "Cada material 2D que se usa en un dispositivo tiene que existir en el mundo 3D, por lo que tiene que tener un cruce de alguna manera con tresmateriales dimensionales ", dice. Entonces, con esta mejor comprensión de esas interfaces y nuevas formas de estudiarlas en acción," estamos en buena forma para hacer estructuras con propiedades deseables de una manera planificada en lugar de ad hoc."
"La metodología utilizada tiene el potencial de calcular a partir de los patrones de difracción locales adquiridos la modulación del momento electrónico local", dice, y agrega que "la metodología y la investigación que se muestran aquí tienen un futuro sobresaliente y un gran interés para la comunidad científica de materiales. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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