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扭曲晶体!科学家制造出:DNA螺旋状的新材料!

时间:2019-08-17

  只要简单地扭转手指,就能从一副纸牌中创造出一个美丽的螺旋。同样地,加州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,已经创造出了一种新的无机晶体,这种晶体由一堆堆原子般薄的薄片组成,这些薄片出人意料地螺旋形,就像一个纳米级的扑克牌。

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  在发表在《自然》上的一项新研究报告称,令人惊讶的结构可能产生独特的光学、电子和热特性,包括超导性。

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  这些螺旋状晶体由多层硫化锗构成,硫化锗是一种半导体材料,与石墨烯类似,很容易形成只有几个原子甚至单个原子厚度的薄片。这种“纳米片”通常被称为“二维材料”。加州大学伯克利分校材料科学与工程助理教授姚洁说:没有人预料到二维材料会以这种方式生长,这就像一个惊喜的礼物,我们相信这将为材料研究带来巨大的机遇。晶体的形状可能与DNA相似,而DNA螺旋结构对其携带遗传信息的功能至关重要,但底层结构实际上是截然不同的。

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  与“有机”DNA不同,“无机”DNA主要由碳、氧和氢等我们熟悉的原子构成,而这些“无机”晶体则是由元素周期表中更广泛的元素构成——在这种情况下,是硫和锗。由于有机分子的主要成分碳具有独特性质,形状往往千奇百怪,而无机分子则更倾向于直线型和窄型。为了创造扭曲的结构,研究小组利用了一种叫做螺旋位错的晶体缺陷,这是有序晶体结构中的一种“错误”,它会产生一定的扭曲力。

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  这种以科学家约翰·d·埃舍比(John D. Eshelby)名字命名的“埃舍比扭曲”(Eshelby Twist),已经被用来制造像松树一样螺旋状的纳米线。但是这项研究是第一次将埃舍比扭转用于制造由原子厚度的半导体二维层叠加而成的晶体。通常,人们讨厌材料上的缺陷——想要一个完美的晶体,但这一次,我们不得不感谢这些缺陷,它们让我们在材料层之间创造出一种自然的扭曲。

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  在去年的一项重大发现中,当两片原子厚度的石墨烯以所谓“魔角”堆叠和扭曲时,石墨烯就会成为超导材料。虽然其他研究人员已经成功地一次叠加两层,但这篇新论文提供了一种合成叠加结构的方法,这种结构可以以连续扭曲的方式叠加数十万层甚至数百万层。论文第一作者之一、加州大学伯克利分校材料科学与工程专业研究生刘音(音译)表示:观察到扭曲晶体中离散台阶的形成,它将光滑扭曲的晶体转变为圆形楼梯,这是一种与埃舍比扭曲机制相关的新现象。

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件和长度,研究人员可以改变层与层之间的角度,创造出一种扭曲的结构,这种结构要么像弹簧一样紧,要么像弹簧一样松。虽然研究小组通过生长硫化锗的螺旋晶体演示了这项技术,但它很可能被用于生长其他形成类似原子薄层的材料层。材料科学与工程系系主任、资深理论家达里尔?克赞在论文中表示:这种扭曲的结构源自存储能量与相对滑动两层材料能源成本之间的竞争。

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  没有理由期望这种竞争仅限于硫化锗,而类似的结构应该在其他二维材料体系中也能实现。这些层状材料的扭曲行为,通常只有两层以不同角度扭曲,已经显示出巨大的潜力,并吸引了物理和化学界的大量关注。现在,随着所有这些扭曲层在新材料中结合起来,发现它们是否会显示出与这些材料常规堆积不同的材料特性变得非常有趣,但目前,对这些性质的了解非常有限,因为这种材料是如此的新,新的机遇在等着我们。

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