只需简单地扭动手指，就可以从一副卡片中创造出美丽的螺旋形状。同样地，加利福尼亚大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们创造了新的无机晶体，这些无机晶体由原子薄片叠层组成，出乎意料地像纳米级卡片一样呈螺旋状。
研究人员说，他们令人惊讶的结构，在6月19日在线发表在一篇名为“ 自然 ”杂志的新研究报告中，可能产生独特的光学，电子和热学性质，包括超导性。
这些螺旋晶体由堆叠的硫化锗层制成，硫化锗是一种半导体材料，与石墨烯一样，很容易形成仅有几个原子或甚至单个原子厚度的薄片。这种“纳米片”通常被称为“2D材料”。
加州大学伯克利分校的材料科学与工程助理教授姚杰说：“没有人会期望二维材料以这种方式生长。这就像一个惊喜礼物。” “我们相信这可能为材料研究带来巨大机遇。”
虽然晶体的形状可能类似于DNA的形状，其螺旋结构对于携带遗传信息的工作至关重要，但它们的基本结构实际上是完全不同的。与“有机”DNA不同，“有机”DNA主要由熟悉的原子如碳，氧和氢构成，这些“无机”晶体由周期表中更偏远的元素构成 - 在这种情况下，硫和锗。虽然有机分子通常采取各种各样的形状，但由于其主要成分的独特性质，碳，无机分子往往更直接和狭窄。
为了制造扭曲结构，该团队利用了一种称为螺旋位错的晶体缺陷，这种有序晶体结构中的“错误”使其具有一定的扭曲力。以科学家John D. Eshelby命名的这种“Eshelby Twist”已经被用来制造像松树一样螺旋状的纳米线。但这项研究是Eshelby Twist首次用于制造由堆叠的二维原子薄半导体层构成的晶体。
“通常，人们讨厌材料中的缺陷 - 他们希望拥有完美的水晶，”姚明说，他也是伯克利实验室的一名教师科学家。“但事实证明，这一次，我们必须感谢这些缺陷。它们让我们在材料层之间创造了一种自然的扭曲。”
在去年的一项重大发现中，科学家报告说，当两块原子薄的材料堆叠在一起被称为“魔角”时，石墨烯变得超导。虽然其他研究人员一次成功地堆叠了两层，但新论文提供了一种合成堆叠结构的配方，这种结构以连续扭曲的方式成千上万甚至数百万层厚。
“我们观察到扭曲晶体中不连续台阶的形成，它将平滑扭曲的晶体转变为圆形楼梯，这是与Eshelby Twist机制相关的一种新现象。” 该报的共同第一作者，加州大学伯克利分校材料科学与工程专业的研究生Yin Liu说。“材料的相互作用如何导致许多不同的，美丽的几何形状，这真是令人惊讶。”
通过调整材料合成条件和长度，研究人员可以改变层之间的角度，形成一个紧密的扭曲结构，如弹簧，或松散，如展开的Slinky。虽然研究小组通过生长硫化锗的螺旋晶体来演示该技术，但它可能会用于生长形成类似原子级薄层的其他材料层。
“扭曲的结构起因于储存的能量与两个材料层相对于彼此滑动的能量成本之间的竞争，”材料科学与工程系主任，该论文的高级理论家Daryl Chrzan说。“没有理由认为这种竞争仅限于硫化锗，在其他二维材料系统中应该可以采用类似的结构。”
“这些层状材料的扭曲行为，通常只有两层以不同的角度扭曲，已经显示出巨大的潜力，并吸引了很多物理和化学界的关注。现在，发现所有的这些扭曲的层结合在我们的新材料中，如果它们显示出与常规堆叠这些材料完全不同的材料特性，“姚说。“但就目前而言，我们对这些属性的理解非常有限，因为这种形式的材料是如此新颖。新的机会在等着我们。”