Nuevos materiales compuestos con intrincados patrones lineales

Los puntos identifican los valores de los parámetros de Moiré correspondientes a sistemas con microgeometría periódica, donde los períodos cortos y largos se identifican mediante puntos que revelan arreglos fractales autosimilares de sistemas periódicos - GOLDEN/UNIVERSITY OF UTAH.

   MADRID, 14 Jun. (EUROPA PRESS) -

   Matemáticos de la Universidad de Utah han descubierto que pueden diseñar una variedad de materiales compuestos a partir de patrones muaré creados al rotar y estirar una red en relación con otra.

   Esos patrones son creados por dos conjuntos de líneas desplazadas entre sí. Como ilusiones ópticas, los patrones muaré crean nítidas simulaciones de movimiento. Pero a escala atómica, cuando una hoja de átomos dispuestos en una red está ligeramente desplazada de otra hoja, estos patrones muaré pueden crear una física emocionante e importante con propiedades electrónicas interesantes e inusuales.

   Sus propiedades eléctricas y físicas pueden cambiar, a veces de manera bastante abrupta, dependiendo de si los patrones muaré resultantes se repiten regularmente o no. Los hallazgos se publican en Communications Physics.

   Las matemáticas y la física de estas redes retorcidas se aplican a una amplia variedad de propiedades materiales, dice Kenneth Golden, profesor de matemáticas. "La teoría subyacente también es válida para materiales en una amplia gama de escalas de longitud, desde nanómetros hasta kilómetros, lo que demuestra lo amplio que es el alcance de las posibles aplicaciones tecnológicas de nuestros hallazgos".

   Antes de llegar a estos nuevos hallazgos, se necesita trazar la historia de dos conceptos importantes: geometría aperiódica y twistrónica.

   La geometría aperiódica significa patrones que no se repiten. Un ejemplo es el patrón de mosaico de rombos de Penrose. Si dibuja un cuadro alrededor de una parte del patrón y comienza a deslizarlo en cualquier dirección, sin girarlo, nunca encontrará una parte del patrón que coincida.

   Los patrones aperiódicos diseñados hace más de 1000 años aparecieron en los mosaicos de Girih utilizados en la arquitectura islámica. Más recientemente, a principios de la década de 1980, el científico de materiales Dan Shechtman descubrió un cristal con una estructura atómica aperiódica. Esta cristalografía revolucionó, ya que la definición clásica de un cristal incluye solo patrones atómicos que se repiten regularmente, y le valió a Shechtman el Premio Nobel de Química 2011.

   En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por descubrir el grafeno, un material que está hecho de una sola capa de átomos de carbono en una red que parece alambre de gallinero. El grafeno en sí mismo tiene su propio conjunto de propiedades interesantes, pero en los últimos años los físicos han descubierto que cuando apilas dos capas de grafeno y giras una ligeramente, el material resultante se convierte en un superconductor que también es extraordinariamente fuerte. Este campo de estudio de las propiedades electrónicas del grafeno bicapa retorcido se llama "twistrónica".

   En el nuevo estudio, Golden y sus colegas imaginaron algo diferente. Es como twistronics, pero en lugar de dos capas de átomos, los patrones muaré formados a partir de redes de interferencia determinan cómo dos componentes de materiales diferentes, como un buen conductor y uno malo, se organizan geométricamente en un material compuesto. Llaman al nuevo material un "compuesto bicapa torcido", ya que una de las redes está torcida y/o estirada en relación con la otra. Al explorar las matemáticas de dicho material, descubrieron que los patrones muaré producían algunas propiedades sorprendentes.

   "A medida que varían los parámetros del ángulo de torsión y la escala, estos patrones producen innumerables microgeometrías, con cambios muy pequeños en los parámetros que provocan cambios muy grandes en las propiedades del material", dice Ben Murphy, coautor del artículo y profesor asistente adjunto de matemáticas.

   Por ejemplo, torcer una celosía solo dos grados puede hacer que los patrones muaré pasen de repetirse regularmente a no repetirse, e incluso parezcan estar desordenados al azar, aunque todos los patrones no son aleatorios. Si el patrón es ordenado y periódico, el material puede conducir la corriente eléctrica muy bien o no conducirla, mostrando un comportamiento de encendido/apagado similar al de los semiconductores utilizados en los chips de computadora.

   Pero para los patrones aperiódicos y de aspecto desordenado, el material puede ser un aislante que aplaste la corriente, "similar a la goma del mango de una herramienta que ayuda a eliminar las descargas eléctricas", dice David Morison, autor principal del estudio que recientemente terminó su doctorado en Física en la Universidad de Utah bajo la supervisión de Golden.

   Este tipo de transición abrupta de conductor eléctrico a aislante les recordó a los investigadores otro descubrimiento ganador del Nobel: la transición de localización de Anderson para conductores cuánticos.

   Ese descubrimiento, que ganó el Premio Nobel de Física en 1977, explica cómo un electrón puede moverse libremente a través de un material (un conductor) o quedar atrapado o localizado (un aislante), utilizando las matemáticas de dispersión e interferencia de ondas.

   Pero Golden dice que las ecuaciones de ondas cuánticas que usó Anderson no funcionan en la escala de estos compuestos bicapa retorcidos, por lo que debe haber algo más para crear este efecto conductor/aislante. "Observamos una transición de localización impulsada por la geometría que no tiene nada que ver con la dispersión de ondas o los efectos de interferencia, lo cual es un descubrimiento sorprendente e inesperado", dice Golden.

   Las propiedades electromagnéticas de estos nuevos materiales varían tanto con solo pequeños cambios en el ángulo de giro que los ingenieros algún día pueden usar esa variación para ajustar con precisión las propiedades de un material y seleccionar, por ejemplo, las frecuencias visibles de luz (también conocidas como colores) que el material deja pasar y las frecuencias que bloqueará.

   "Además, nuestro marco matemático se aplica para ajustar otras propiedades de estos materiales, como magnética, difusiva y térmica, así como óptica y eléctrica", dice la profesora de matemáticas y coautora del estudio Elena Cherkaev, "y apunta hacia la posibilidad de un comportamiento similar en análogos acústicos y otros mecánicos".