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Feb 16, 2024

Avec une touche d'originalité : de nouveaux matériaux composites dotés de propriétés électriques et physiques hautement réglables

Par Université de l'Utah, 14 juin 2022 Des mathématiciens ont découvert que les motifs de moiré formés par la rotation et l'étirement d'un réseau par rapport à un autre peuvent être utilisés pour concevoir une variété de composants composites.

Par Université de l'Utah14 juin 2022

Les mathématiciens ont découvert que les motifs de moiré formés par la rotation et l'étirement d'un réseau par rapport à un autre peuvent être utilisés pour concevoir divers matériaux composites. Leurs caractéristiques électriques et autres caractéristiques physiques peuvent changer, parfois de façon spectaculaire, selon que les motifs de moiré qui en résultent se répètent régulièrement ou non.

Vous connaissez probablement les motifs de moiré, les modèles d'interférence à grande échelle connus en mathématiques, en physique et en art. Ils sont créés en superposant un motif opaque ligné avec des espaces transparents sur un autre motif similaire. Lorsqu'ils sont tournés ou déplacés, le motif d'interférence apparaît.

Moiré patterns have shown to be especially useful with 2D-materials, single layer materials are lattices consisting of a single layer of atoms. Graphene, a single layer of atoms arranged in a two-dimensional honeycomb lattice nanostructure is one of the most well-known 2D-materials. When you take two stacked layers of grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">le graphène, tordu sous l’angle magique, toutes sortes de propriétés puissantes peuvent émerger telles que la supraconductivité et le ferromagnétisme.

Les scientifiques ont désormais découvert une nouvelle gamme de matériaux composites qu'ils peuvent concevoir à partir de motifs moirés présentant des caractéristiques électriques et physiques uniques.

Deux cercles concentriques, parallèles l’un à l’autre, créent des motifs moirés. Crédit : Jacopo Bertolotti

Regardez l'image ci-dessus.

Surveillez les motifs créés lorsque les cercles se déplacent les uns sur les autres. Ces motifs, créés par deux ensembles de lignes décalées les unes par rapport aux autres, sont appelés effets de moiré (prononcé mwar-AY). En tant qu'illusions d'optique, les motifs moirés créent des simulations soignées de mouvement. Mais à l’échelle atomique, lorsqu’une feuille d’atomes disposées en réseau est légèrement décalée par rapport à une autre feuille, ces motifs de moiré peuvent créer une physique passionnante et importante avec des propriétés électroniques intéressantes et inhabituelles.

Des mathématiciens de l'Université de l'Utah ont découvert qu'ils pouvaient concevoir une gamme de matériaux composites à partir de motifs moirés créés par la rotation et l'étirement d'un réseau par rapport à un autre. Leurs propriétés électriques et autres propriétés physiques peuvent changer, parfois assez brusquement, selon que les motifs de moiré qui en résultent se répètent régulièrement ou non. Leurs résultats sont publiés dans Communications Physics.

Les mathématiques et la physique de ces réseaux torsadés s'appliquent à une grande variété de propriétés matérielles, explique Kenneth Golden, professeur distingué de mathématiques. "La théorie sous-jacente s'applique également aux matériaux sur une large gamme d'échelles de longueur, du nanomètre au kilomètre, démontrant à quel point la portée des applications technologiques potentielles de nos découvertes est vaste."

Disposition fractale des systèmes périodiques. Les points identifient les valeurs des paramètres de Moiré correspondant aux systèmes à microgéométrie périodique, où les périodes courtes et grandes sont identifiées respectivement par de grands et petits points, révélant des arrangements fractals auto-similaires de systèmes périodiques. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Ken Golden/Université de l’Utah

Avant d'arriver à ces nouvelles découvertes, nous devrons retracer l'histoire de deux concepts importants : la géométrie apériodique et la twistronique.

La géométrie apériodique signifie des modèles qui ne se répètent pas. Un exemple est le motif de carrelage Penrose composé de losanges. Si vous dessinez une boîte autour d'une partie du motif et commencez à la faire glisser dans n'importe quelle direction, sans la faire pivoter, vous ne trouverez jamais une partie du motif qui lui corresponde.