Erittäin viritettäviä komposiittimateriaaleja

Atomimittakaavan moiré-kuviot voivat luoda fysiikkaa, jolla on mielenkiintoisia ja epätavallisia elektronisia ominaisuuksia.

Mutta Utahin yliopiston matemaatikot ovat havainneet, että he voivat suunnitella joukon erilaisia komposiittimateriaaleja moiré-kuvioista, hieman aiemmista poikkeavalla tavalla eli pyörittämällä ja venyttämällä yhtä hilaa suhteessa toiseen.

Näin syntyneet sähköiset ja muut fysikaaliset ominaisuudet voivat muuttua – joskus melko äkillisesti riippuen siitä, toistuvatko tuloksena olevat moiré-kuviot säännöllisesti vai eivät.

Näiden kierrettyjen hilojen matematiikka ja fysiikka pätevät monenlaisiin materiaaliominaisuuksiin, sanoo professori Kenneth Golden. "Perustana oleva teoria pätee myös materiaaleihin, joiden pituus vaihtelee nanometreistä kilometreihin, mikä osoittaa, kuinka laaja alue on löytömme mahdollisille teknisille sovelluksille."

Aiheeseen liittyy aperiodinen geometria, joka tarkoittaa kuvioita, jotka eivät toistu sekä twistroniikka, joka tunnetaan grafeenikerroksilla tehdyistä moire-havainnoista.

Uudessa tutkimuksessa Golden ja hänen kollegansa kuvittelivat jotain erilaista. Se on kuin twistroniikka, mutta kahden atomikerroksen sijaan interferoivista hiloista muodostuvat moiré-kuviot määräävät, kuinka kaksi eri materiaalikomponenttia, kuten hyvä ja huono johde järjestyy geometrisesti komposiittimateriaaliksi.

He kutsuvat uutta materiaalia "kierretyksi kaksikerroksiseksi komposiitiksi", koska toinen hila on kierretty ja/tai venytetty suhteessa toiseen. Tutkiessaan tällaisen materiaalin matematiikkaa he havaitsivat, että moiré-kuviot tuottivat yllättäviä ominaisuuksia.

"Koska kiertokulma- ja mittakaavaparametrit vaihtelevat, nämä kuviot tuottavat lukemattomia mikrogeometrioita ja erittäin pienet muutokset parametreissa aiheuttavat erittäin suuria muutoksia materiaalin ominaisuuksissa", kertoo apulaisprofessori Ben Murphy.

Näiden uusien materiaalien sähkömagneettiset ominaisuudet vaihtelevat niin paljon vain pienistä kiertymiskulman muutoksista johtuen, että insinöörit saattavat joskus käyttää tätä vaihtelua säätääkseen tarkasti materiaalin ominaisuuksia ja valitakseen esimerkiksi valon näkyvät taajuudet (eli värit), joita materiaali päästää läpi ja taajuudet, jotka se estää.

"Lisäksi matemaattinen viitekehys soveltuu näiden materiaalien muiden ominaisuuksien, kuten magneettisten, diffuusioiden ja lämpöominaisuuksien, sekä optisten ja sähköisten ominaisuuksien virittämiseen", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Elena Cherkaev, "ja viittaa mahdollisuuteen samanlainen käyttäytyminen akustisissa ja muissa mekaanisissa analogeissa."

Aiheesta aiemmin:

Kiertymiä ja laaksoja

Uusia ominaisuuksia moiré-superhiloissa