Nos últimos anos, os engenheiros encontraram maneiras de modificar as propriedades de alguns materiais “bidimensionais”, que tem apenas um ou alguns a¡tomos de espessura, empilhando duas camadas juntas e girando uma ligeiramente em relação a  outra. Isso cria o que éconhecido como padraµes moiranã, em que pequenasmudanças no alinhamento dos a¡tomos entre as duas folhas criam padraµes em escala maior. Ele também muda a maneira como os elanãtrons se movem atravanãs do material, de maneiras potencialmente aºteis.

Mas, para aplicações prática s, esses materiais bidimensionais devem, em algum ponto, se conectar com o mundo comum dos materiais 3D. Uma equipe internacional liderada por pesquisadores do MIT agora apareceu com uma maneira de imaginar o que acontece nessas interfaces, atéonívelde a¡tomos individuais, e de correlacionar os padraµes de moiréna fronteira 2D-3D com asmudanças resultantes no material propriedades.

As novas descobertas são descritas hoje na revista Nature Communications , em um artigo dos alunos de pós-graduação do MIT Kate Reidy e Georgios Varnavides, professores de ciência de materiais e engenharia Frances Ross, Jim LeBeau e Polina Anikeeva, e cinco outros do MIT, Universidade de Harvard, e a Universidade de Victoria no Canada¡.

Pares de materiais bidimensionais, como grafeno ou nitreto de boro hexagonal, podem exibir variações surpreendentes em seu comportamento quando as duas folhas estãoligeiramente torcidas uma em relação a  outra. Isso faz com que as redes atômicas parecidas com arame de galinha formem padraµes moiranã, o tipo de faixas estranhas e manchas que a s vezes aparecem quando se tira uma foto de uma imagem impressa ou atravanãs de uma tela de janela. No caso de materiais 2D, “parece qualquer coisa, todas as propriedades de materiais interessantes em que vocêpode pensar, vocêpode de alguma forma modular ou alterar torcendo os materiais 2D entre si”, diz Ross, que éa professora Ellen Swallow Richards no MIT.

Embora esses pares 2D tenham atraa­do a atenção cienta­fica em todo o mundo, ela diz, pouco se sabe sobre o que acontece onde materiais 2D encontram sãolidos 3D regulares. “O que nos interessou neste ta³pico”, diz Ross, foi “o que acontece quando um material 2D e um material 3D são colocados juntos. Em primeiro lugar, como vocêmede as posições atômicas na interface e perto dela? Em segundo lugar, quais são as diferenças entre uma interface 3D-2D e uma interface 2D-2D? E em terceiro lugar, como vocêpode controla¡-lo - háuma maneira de projetar deliberadamente a estrutura interfacial ”para produzir as propriedades desejadas?

Descobrir exatamente o que acontece nessas interfaces 2D-3D foi um desafio assustador porque os microsca³pios eletra´nicos produzem uma imagem da amostra em projeção e são limitados em sua capacidade de extrair informações de profundidade necessa¡rias para analisar os detalhes da estrutura da interface. Mas a equipe descobriu um conjunto de algoritmos que lhes permitiu extrapolar de volta a partir de imagens da amostra, que se parecem um pouco com um conjunto de sombras sobrepostas, para descobrir qual configuração de camadas empilhadas produziria aquela "sombra" complexa.

A equipe fez uso de dois microsca³pios eletra´nicos de transmissão exclusivos no MIT que permitem uma combinação de recursos sem igual no mundo. Em um desses instrumentos, um microsca³pio éconectado diretamente a um sistema de fabricação para que as amostras possam ser produzidas no local por processos de deposição e imediatamente alimentadas diretamente no sistema de imagem. Esta éuma das poucas instalações em todo o mundo, que usam um sistema de va¡cuo ultra-alto que evita que atémesmo a mais a­nfima impureza contamine a amostra enquanto a interface 2D-3D estãosendo preparada. O segundo instrumento éum microsca³pio eletra´nico de transmissão de varredura localizado nas novas instalações de pesquisa do MIT, MIT.nano. Este microsca³pio tem excelente estabilidade para imagens de alta resolução, bem como vários modos de imagem para coletar informações sobre a amostra.

Ao contra¡rio dos materiais 2D empilhados, cujas orientações podem ser alteradas com relativa facilidade simplesmente pegando uma camada, torcendo-a ligeiramente e colocando-a novamente, as ligações que mantem os materiais 3D juntos são muito mais fortes, então a equipe teve que desenvolver novas maneiras de obter o alinhamento camadas. Para fazer isso, eles adicionaram o material 3D ao material 2D em alta­ssimo va¡cuo, escolhendo as condições de crescimento em que as camadas se auto-montaram em uma orientação reproduza­vel com graus específicos de torção. “Tivemos que desenvolver uma estrutura que fosse alinhada de uma certa forma”, diz Reidy.

Depois de desenvolver os materiais, eles tiveram que descobrir como revelar as configurações e orientações atômicas das diferentes camadas. Um microsca³pio eletra´nico de transmissão de varredura realmente produz mais informações do que éaparente em uma imagem plana; na verdade, cada ponto na imagem contanãm detalhes dos caminhos pelos quais os elanãtrons chegaram e partiram (o processo de difração), bem como qualquer energia que os elanãtrons perderam no processo. Todos esses dados podem ser separados para que as informações em todos os pontos de uma imagem possam ser usadas para decodificar a estrutura sãolida real. Esse processo são épossí­vel para microsca³pios de última geração, como o do MIT.nano, que gera uma sonda de elanãtrons que éexcepcionalmente estreita e precisa.

Os pesquisadores usaram uma combinação de técnicas chamadas 4D STEM e contraste de fase diferencial integrado para conseguir esse processo de extrair a estrutura completa na interface da imagem. Então, diz Varnavides, eles perguntaram: “Agora que podemos imaginar a estrutura completa da interface, o que isso significa para nossa compreensão das propriedades dessa interface?” Os pesquisadores mostraram por meio de modelagem que as propriedades eletra´nicas devem ser modificadas de uma forma que são pode ser compreendida se toda a estrutura da interface for inclua­da na teoria física. “O que descobrimos éque de fato esse empilhamento, a forma como os a¡tomos são empilhados fora do plano, modula as propriedades eletra´nicas e de densidade de carga”, diz ele.

Ross diz que as descobertas podem ajudar a melhorar os tipos de junções em alguns microchips, por exemplo. “Todo material 2D usado em um dispositivo deve existir no mundo 3D e, portanto, deve ter uma junção de alguma forma com materiais tridimensionais”, diz ela. Portanto, com esse melhor entendimento dessas interfaces e novas maneiras de estuda¡-las em ação, “estamos em boa forma para fazer estruturas com propriedades desejáveis ​​de uma forma planejada, em vez de ad hoc”.

“O presente trabalho abre um campo por si são, permitindo a aplicação desta metodologia a  crescente linha de pesquisa da engenharia moiranã, de grande importa¢ncia em campos como a física qua¢ntica ou mesmo a cata¡lise”, diz Jordi Arbiol do Instituto Catala£o de Nanociaªncia e Nanotecnologia na Espanha, que não se associou a este trabalho.

“A metodologia utilizada tem potencial para calcular, a partir dos padraµes de difração locais adquiridos, a modulação do momento eletra´nico local”, afirma, acrescentando

que “a metodologia e a pesquisa mostradas aqui tem um futuro excepcional e alto interesse para a comunidade da ciência dos materiais”.