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Nov 08, 2023

O grafite torcido oferece um enorme potencial no desenvolvimento de materiais

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Twistronics, um campo da física da matéria condensada, altera as propriedades dos materiais 2D ajustando o ângulo entre as camadas. Pesquisadores da Universidade de Columbia desenvolveram uma técnica usando fitas de grafeno para controlar sistematicamente o ângulo de torção e a deformação, auxiliando no estudo do comportamento de materiais quânticos, como a supercondutividade.

Você acha que sabe tudo sobre um material? Tente dar uma reviravolta - literalmente. Essa é a ideia principal de um campo emergente na física da matéria condensada chamado “twistrônica”, que faz com que os pesquisadores mudem drasticamente as propriedades de materiais 2D, como o grafeno, com mudanças sutis – tão pequenas quanto passar de 1,1° para 1,2° – no ângulo. entre camadas empilhadas. Demonstrou-se que camadas torcidas de grafeno, por exemplo, se comportam de maneiras que folhas únicas não o fazem, inclusive agindo como ímãs, como supercondutores elétricos ou como isolantes opostos de um supercondutor, tudo devido a pequenas mudanças no ângulo de torção entre as folhas.

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Em teoria, você poderia definir qualquer propriedade girando um botão que altera o ângulo de torção. A realidade, no entanto, não é tão simples, disse o físico da Columbia, Cory Dean. Duas camadas torcidas de grafeno podem se tornar como um novo material, mas o motivo exato pelo qual essas diferentes propriedades se manifestam ainda não é bem compreendido, muito menos algo que ainda pode ser totalmente controlado.

Dean e seu laboratório criaram uma nova técnica de fabricação simples que pode ajudar os físicos a investigar as propriedades fundamentais das camadas torcidas de grafeno e outros materiais 2D de uma forma mais sistemática e reprodutível. Escrevendo na Science, eles usam longas “fitas” de grafeno, em vez de flocos quadrados, para criar dispositivos que oferecem um novo nível de previsibilidade e controle tanto sobre o ângulo de torção quanto sobre a deformação.

"Não precisamos mais fabricar 10 dispositivos separados com 10 ângulos diferentes para ver o que acontece. E agora podemos controlar a tensão."

Dispositivos de grafeno normalmente são montados a partir de flocos de grafeno da espessura de um átomo, com apenas alguns micrômetros quadrados. O ângulo de torção resultante entre as folhas é fixado no lugar e pode ser difícil agrupar os flocos suavemente. “Imagine o grafeno como pedaços de filme plástico – quando você junta duas peças, você obtém pequenas rugas e bolhas aleatórias”, disse o pós-doutorado Bjarke Jessen, coautor do artigo. Essas bolhas e rugas são semelhantes às mudanças no ângulo de torção entre as folhas e à tensão física que se desenvolve entre elas e podem fazer com que o material se dobre, dobre e comprima aleatoriamente. Todas essas variações podem gerar novos comportamentos, mas têm sido difíceis de controlar dentro e entre dispositivos.

As fitas podem ajudar a suavizar as coisas. A nova pesquisa do laboratório mostra que, com apenas um pequeno empurrão da ponta de um microscópio de força atômica, eles podem dobrar uma fita de grafeno em um arco estável que pode então ser colocado no topo de uma segunda camada de grafeno não curvada. O resultado é uma variação contínua no ângulo de torção entre as duas folhas que se estende de 0° a 5° em todo o comprimento do dispositivo, com tensão distribuída uniformemente por toda parte – sem mais bolhas ou rugas aleatórias para enfrentar. “Não precisamos mais fabricar 10 dispositivos separados com 10 ângulos diferentes para ver o que acontece”, disse a pós-doutoranda e coautora Maëlle Kapfer. “E agora podemos controlar a tensão, que faltava completamente nos dispositivos torcidos anteriores.”

A equipe usou microscópios especiais de alta resolução para confirmar a uniformidade de seus dispositivos. Com essas informações espaciais, eles desenvolveram um modelo mecânico que prevê ângulos de torção e valores de deformação simplesmente com base no formato da fita curva.