새로운, 고도로 조정 가능한 복합 재료 -- 약간의 변형

새로운, 고도로 조정 가능한 복합 재료 -- 약간의 변형
날짜:
2022년 6월 14일
원천:
유타 대학교
요약:
수학자들은 한 격자를 다른 격자에 대해 회전하고 늘여서 생성된 모아레 패턴에서 다양한 복합 재료를 설계할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들의 전기적 및 기타 물리적 특성은 결과로 생기는 모아레 패턴이 규칙적으로 반복되는지 또는 비반복되는지에 따라 아주 갑자기 변할 수 있습니다.

원이 서로를 가로질러 움직일 때 생성되는 패턴을 관찰하십시오. 서로 오프셋된 두 세트의 선으로 생성된 이러한 패턴을 모아레 (mwar-AY로 발음) 효과라고 합니다. 착시 현상으로서 모아레 패턴은 움직임의 깔끔한 시뮬레이션을 만듭니다. 그러나 원자 규모에서 격자로 배열된 한 원자 시트가 다른 시트에서 약간 오프셋되면 이러한 모아레 패턴은 흥미롭고 특이한 전자 특성을 가진 흥미롭고 중요한 물리학을 생성할 수 있습니다.

유타 대학의 수학자들은 한 격자를 다른 격자에 대해 회전하고 늘림으로써 생성된 모아레 패턴에서 다양한 복합 재료를 설계할 수 있음을 발견했습니다. 그들의 전기적 및 기타 물리적 특성은 결과로 생기는 모아레 패턴이 규칙적으로 반복되는지 또는 비반복되는지에 따라 때때로 아주 갑자기 변할 수 있습니다. 그들의 연구 결과는 Communications Physics 에 게재되었습니다 .

이러한 뒤틀린 격자의 수학과 물리학은 다양한 재료 특성에 적용된다고 저명한 수학 교수인 Kenneth Golden이 말했습니다. "기본 이론은 나노미터에서 킬로미터에 이르는 광범위한 길이 규모의 재료에도 적용되며, 우리 연구 결과의 잠재적인 기술 적용 범위가 얼마나 넓은지를 보여줍니다."

꼬임으로

이 새로운 발견에 도달하기 전에 두 가지 중요한 개념의 역사를 도표로 작성해야 합니다. 바로 주기 기하학과 트위스트로닉스입니다.

비주기적 기하학은 반복되지 않는 패턴을 의미합니다. 마름모꼴의 펜로즈 타일링 패턴이 그 예입니다. 패턴의 일부 주위에 상자를 그리고 회전하지 않고 어떤 방향으로든 슬라이딩하기 시작하면 패턴에서 일치하는 부분을 찾을 수 없습니다.

1000년 이상 전에 디자인된 비주기적 패턴은 이슬람 건축에서 사용되는 Girih 타일링에 나타났습니다. 보다 최근에는 1980년대 초에 재료 과학자인 Dan Shechtman이 비주기적인 원자 구조를 가진 결정을 발견했습니다. 결정의 고전적인 정의는 규칙적으로 반복되는 원자 패턴만을 포함하고 셰흐트만은 2011년 노벨 화학상을 받았기 때문에 이 혁명적인 결정학.

자, 이제 그 계보에 노벨이 있는 분야인 트위스트로닉스(twistronics)로 넘어갑니다. 2010년 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)는 닭 철사처럼 보이는 격자에서 탄소 원자의 단일 층으로 만들어진 물질인 그래핀을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그래핀 자체는 흥미로운 특성을 가지고 있지만 최근 몇 년 동안 물리학자들은 그래핀 두 층을 쌓고 한 층을 약간 돌릴 때 결과 물질이 초전도체가 되어 매우 강한 초전도체가 된다는 사실을 최근에 발견했습니다. 꼬인 이중층 그래핀의 전자적 특성을 연구하는 이 분야를 "트위스트로닉스"라고 합니다.

2상 복합재

새로운 연구에서 Golden과 그의 동료들은 다른 것을 상상했습니다. 그것은 트위스트로닉과 비슷하지만 두 개의 원자 층 대신 간섭 격자로 형성된 모아레 패턴이 좋은 전도체와 나쁜 전도체와 같은 두 가지 다른 재료 구성 요소가 복합 재료로 기하학적으로 배열되는 방식을 결정합니다. 그들은 격자 중 하나가 다른 격자에 대해 꼬이거나 늘어나기 때문에 새로운 재료를 "꼬인 이중층 합성물"이라고 부릅니다. 그러한 재료의 수학을 탐구하면서 그들은 모아레 패턴이 몇 가지 놀라운 특성을 생성한다는 것을 발견했습니다.

논문의 공동 저자이자 수학의 겸임 조교수인 Ben Murphy는 "비틀림 각도와 스케일 매개변수가 다양함에 따라 이러한 패턴은 매개변수의 아주 작은 변화로 인해 물질 특성의 매우 큰 변화를 일으키는 무수한 미세 기하학을 생성합니다."라고 말했습니다.

예를 들어 격자 하나를 2도만 비틀면 모아레 패턴이 규칙적으로 반복되는 패턴에서 반복되지 않는 패턴으로 바뀔 수 있으며 모든 패턴이 무작위가 아님에도 불구하고 무작위로 무질서한 것처럼 보일 수 있습니다. 패턴이 규칙적이고 주기적이라면 재료는 전류를 매우 잘 전도하거나 전혀 전도하지 못하여 컴퓨터 칩에 사용되는 반도체와 유사한 켜짐/꺼짐 동작을 표시할 수 있습니다. 그러나 주기적이고 무질서하게 보이는 패턴의 경우 이 물질은 "감전을 제거하는 데 도움이 되는 도구의 손잡이에 있는 고무와 유사한" 전류를 짓누르는 절연체가 될 수 있다고 이 연구의 주저자인 David Morison은 말합니다. 그의 박사 학위를 마쳤습니다. Golden의 지도하에 유타 대학교에서 물리학 박사.

전기 전도체에서 절연체로의 이러한 종류의 갑작스러운 전환은 연구원들에게 또 다른 노벨상 수상 발견인 양자 전도체에 대한 앤더슨 국소화 전환을 상기시켰습니다. 1977년 노벨 물리학상을 수상한 이 발견은 전자가 물질(전도체)을 통해 자유롭게 이동하거나 갇히거나 국부화(절연체)되는 방법을 파동 산란 및 간섭의 수학을 사용하여 설명합니다. 그러나 Golden은 Anderson이 사용한 양자 파동 방정식이 이러한 꼬인 이중층 복합 재료의 규모에서 작동하지 않으므로 이 전도체/절연체 효과를 생성하기 위해 계속 진행되고 있는 다른 것이 있어야 한다고 말합니다. "우리는 파동 산란 또는 간섭 효과와 아무 관련이 없는 기하학 기반 위치 전환을 관찰했는데, 이는 놀랍고 예상치 못한 발견입니다."라고 Golden은 말합니다.

이 새로운 재료의 전자기 특성은 비틀림 각도의 작은 변화만으로도 매우 다양하므로 엔지니어는 언젠가 그 변화를 사용하여 재료의 특성을 정밀하게 조정하고 재료의 가시광선 주파수(일명 색상)를 선택할 수 있습니다. 통과하고 차단할 주파수를 허용합니다.

공동 저자인 Elena Cherkaev는 "또한 우리의 수학적 프레임워크는 자기, 확산 및 열뿐만 아니라 광학 및 전기와 같은 이러한 재료의 다른 특성을 조정하는 데 적용되며 음향 및 기타 기계적 유사체에서 유사한 동작."