Mais les chercheurs ont généralement supposé que ces propriétés 2D exotiques n’existent que dans les feuilles monocouches ou les piles courtes. Les versions dites « en vrac » de ces matériaux – avec leurs structures atomiques 3D plus complexes – devraient se comporter différemment.

Ou alors ils pensaient.

Dans un article publié le 19 juillet dans Nature, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université de Washington rapporte qu’il est possible d’imprégner le graphite – le matériau 3D en vrac trouvé dans les crayons n° 2 – avec des propriétés physiques similaires à celles de l’homologue 2D du graphite. , graphène. Non seulement cette percée était inattendue, mais l’équipe pense également que son approche pourrait être utilisée pour tester si des types similaires de matériaux en vrac peuvent également adopter des propriétés de type 2D. Si tel est le cas, les feuilles 2D ne seront pas la seule source permettant aux scientifiques d’alimenter les révolutions technologiques. En vrac, les matériaux 3D pourraient être tout aussi utiles.

« L’empilement d’une seule couche sur une seule couche – ou de deux couches sur deux couches – est au centre des préoccupations pour débloquer une nouvelle physique dans les matériaux 2D depuis plusieurs années maintenant. Dans ces approches expérimentales, c’est là que de nombreuses propriétés intéressantes émergent », a déclaré l’auteur principal Matthew. Yankowitz, professeur adjoint UW de physique et de science et génie des matériaux. « Mais que se passe-t-il si vous continuez à ajouter des couches ? Finalement, cela doit s’arrêter, n’est-ce pas ? C’est ce que l’intuition suggère. Mais dans ce cas, l’intuition est fausse. Il est possible de mélanger des propriétés 2D dans des matériaux 3D. »

L’équipe, qui comprend également des chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon, a adapté une approche couramment utilisée pour sonder et manipuler les propriétés des matériaux 2D : empiler des feuilles 2D avec un petit angle de torsion. Yankowitz et ses collègues ont placé une seule couche de graphène sur un mince cristal de graphite en vrac, puis ont introduit un angle de torsion d’environ 1 degré entre le graphite et le graphène. Ils ont détecté des propriétés électriques nouvelles et inattendues non seulement à l’interface torsadée, mais aussi profondément dans le graphite en vrac.

L’angle de torsion est essentiel pour générer ces propriétés, a déclaré Yankowitz, qui est également membre du corps professoral de l’UW Clean Energy Institute et de l’UW Institute for Nano-Engineered Systems. Un angle de torsion entre des feuilles 2D, comme deux feuilles de graphène, crée ce qu’on appelle un motif moiré, qui modifie le flux de particules chargées comme les électrons et induit des propriétés exotiques dans le matériau.

Dans les expériences menées par UW avec du graphite et du graphène, l’angle de torsion a également induit un motif de moiré, avec des résultats surprenants. Même si une seule feuille de graphène au sommet du cristal en vrac était tordue, les chercheurs ont découvert que les propriétés électriques de l’ensemble du matériau différaient nettement du graphite typique. Et lorsqu’ils ont allumé un champ magnétique, les électrons profondément dans le cristal de graphite ont adopté des propriétés inhabituelles similaires à celles des électrons à l’interface torsadée. Essentiellement, l’interface graphène-graphite torsadée unique est devenue inextricablement mélangée avec le reste du graphite en vrac.

« Bien que nous ne générions le motif de moiré qu’à la surface du graphite, les propriétés résultantes saignaient sur tout le cristal », a déclaré le co-auteur principal Dacen Waters, chercheur postdoctoral en physique à l’UW.

Pour les feuilles 2D, les motifs moirés génèrent des propriétés qui pourraient être utiles pour l’informatique quantique et d’autres applications. L’induction de phénomènes similaires dans les matériaux 3D ouvre de nouvelles approches pour étudier des états inhabituels et exotiques de la matière et comment les faire sortir du laboratoire et dans notre vie quotidienne.

« Le cristal entier prend cet état 2D », a déclaré le co-auteur principal Ellis Thompson, doctorant en physique à l’UW. « Il s’agit d’une manière fondamentalement nouvelle d’affecter le comportement des électrons dans un matériau en vrac. »

Yankowitz et son équipe pensent que leur approche consistant à générer un angle de torsion entre le graphène et un cristal de graphite en vrac pourrait être utilisée pour créer des hybrides 2D-3D de ses matériaux frères, notamment le ditellurure de tungstène et le pentatellurure de zirconium. Cela pourrait débloquer une nouvelle approche de réingénierie des propriétés des matériaux en vrac conventionnels à l’aide d’une seule interface 2D.

« Cette méthode pourrait devenir un terrain de jeu très riche pour étudier de nouveaux phénomènes physiques passionnants dans des matériaux aux propriétés mixtes 2D et 3D », a déclaré Yankowitz.

Les co-auteurs de l’article sont l’étudiante diplômée de l’UW Esmeralda Arreguin-Martinez et la chercheuse postdoctorale de l’UW Yafei Ren, toutes deux au Département de science et génie des matériaux ; Ting Cao, professeur adjoint UW de science et d’ingénierie des matériaux; Di Xiao, professeur de physique à l’UW et titulaire d’une chaire de science et d’ingénierie des matériaux; Manato Fujimoto de l’Université d’Osaka ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon. La recherche a été financée par la National Science Foundation; le département américain de l’énergie ; l’Institut de l’énergie propre de l’UW ; le Bureau du directeur du renseignement national ; l’Agence japonaise pour la science et la technologie ; la Société japonaise pour la promotion de la science ; le ministère japonais de l’éducation, de la culture, des sports, des sciences et de la technologie ; et le MJ Murdock Charitable Trust.