Med en enkel vridning av fingrarna, man kan skapa en vacker spiral från en kortlek. På samma sätt, forskare vid University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har skapat nya oorganiska kristaller gjorda av staplar av atomärt tunna ark som oväntat spiralformar som en kortlek i nanoskala.

Deras överraskande strukturer, rapporterade i en ny studie som visas online onsdag, 20 juni, i journalen Natur , kan ge unik optik, elektroniska och termiska egenskaper, inklusive supraledning, säger forskarna.

Dessa spiralformade kristaller är gjorda av staplade lager av germaniumsulfid, ett halvledarmaterial som, som grafen, bildar lätt ark som bara är några få atomer eller till och med en enda atom tjocka. Sådana "nanoark" kallas vanligtvis "2D-material".

"Ingen förväntade sig att 2D-material skulle växa på ett sådant sätt. Det är som en överraskningspresent, sa Jie Yao, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Vi tror att det kan ge stora möjligheter för materialforskning."

Även om formen på kristallerna kan likna DNA, vars spiralformade struktur är avgörande för dess uppgift att bära genetisk information, deras underliggande struktur är faktiskt helt annorlunda. Till skillnad från "organiskt" DNA, som huvudsakligen är byggd av välbekanta atomer som kol, syre och väte, dessa "oorganiska" kristaller är byggda av mer avlägsna element i det periodiska systemet - i det här fallet, svavel och germanium. Och medan organiska molekyler ofta tar alla möjliga galna former, på grund av unika egenskaper hos deras primära komponent, kol, oorganiska molekyler tenderar mer mot det raka och smala.

För att skapa de vridna strukturerna, laget utnyttjade en kristalldefekt som kallas skruvdislokation, ett "misstag" i den ordnade kristallstrukturen som ger den lite vridkraft. Denna "Eshelby Twist, " uppkallad efter vetenskapsmannen John D. Eshelby, har använts för att skapa nanotrådar som spiralformar som tallar. Men den här studien är första gången Eshelby Twist har använts för att göra kristaller byggda av staplade 2D-lager av en atomärt tunn halvledare.

"Vanligtvis, människor hatar defekter i ett material – de vill ha en perfekt kristall, sa Yao, som också fungerar som fakultetsforskare vid Berkeley Lab. "Men det visar sig att den här gången, vi måste tacka defekterna. De tillät oss att skapa en naturlig twist mellan materialskikten."

I en stor upptäckt förra året, forskare rapporterade att grafen blir supraledande när två atomärt tunna ark av materialet staplas och vrids i vad som kallas en "magisk vinkel". Medan andra forskare har lyckats stapla två lager åt gången, det nya papperet ger ett recept för att syntetisera staplade strukturer som är hundratusentals eller till och med miljontals lager tjocka på ett ständigt vridande sätt.

"Vi observerade bildandet av diskreta steg i den vridna kristallen, som förvandlar den smidigt vridna kristallen till cirkulära trappor, ett nytt fenomen associerat med Eshelby Twist-mekanismen, sa Yin Liu, medförsta författare till uppsatsen och doktorand i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Det är ganska fantastiskt hur samspel av material kan resultera i många olika, vackra geometrier."

Genom att justera materialsyntesförhållandena och längden, forskarna kunde ändra vinkeln mellan lagren, skapa en vriden struktur som är tät, som en fjäder, eller lös, som en upprullad Slinky. Och medan forskargruppen demonstrerade tekniken genom att odla spiralformade kristaller av germaniumsulfid, det skulle sannolikt kunna användas för att odla lager av andra material som bildar liknande atomärt tunna lager.

"Den vridna strukturen uppstår från en konkurrens mellan lagrad energi och energikostnaden för att glida två materiallager i förhållande till varandra, sa Daryl Chrzan, ordförande för Institutionen för materialvetenskap och teknik och senior teoretiker på uppsatsen. "Det finns ingen anledning att förvänta sig att denna konkurrens är begränsad till germaniumsulfid, och liknande strukturer bör vara möjliga i andra 2D-materialsystem."

"Det vridna beteendet hos dessa skiktade material, vanligtvis med bara två lager vridna i olika vinklar, har redan visat stor potential och väckt stor uppmärksamhet från fysik- och kemigemenskaperna. Nu, det blir väldigt spännande att ta reda på, med alla dessa tvinnade lager kombinerade i vårt nya material, om de kommer att visa helt andra materialegenskaper än vanlig stapling av dessa material, " sa Yao. "Men i detta ögonblick, vi har mycket begränsad förståelse för vad dessa egenskaper kan vara, eftersom denna form av material är så nytt. Nya möjligheter väntar på oss."