只要簡單地扭轉(zhuǎn)手指，就能從一副紙牌中創(chuàng)造出一個美麗的螺旋。同樣地，加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學(xué)家們，已經(jīng)創(chuàng)造出了一種新的無機晶體，這種晶體由一堆堆原子般薄的薄片組成，這些薄片出人意料地螺旋形，就像一個納米級的撲克牌。

發(fā)表在《自然》上的一項新研究報告稱，令人驚訝的結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生獨特的光學(xué)、電子和熱特性，包括超導(dǎo)性。

這些螺旋狀晶體由多層硫化鍺構(gòu)成，硫化鍺是一種半導(dǎo)體材料，與石墨烯類似，很容易形成只有幾個原子甚至單個原子厚度的薄片。這種“納米片”通常被稱為“二維材料”。加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程助理教授姚潔說：沒有人預(yù)料到二維材料會以這種方式生長，這就像一個驚喜的禮物，我們相信這將為材料研究帶來巨大的機遇。晶體的形狀可能與DNA相似，而DNA螺旋結(jié)構(gòu)對其攜帶遺傳信息的功能至關(guān)重要，但底層結(jié)構(gòu)實際上是截然不同的。

與“有機”DNA不同，“無機”DNA主要由碳、氧和氫等我們熟悉的原子構(gòu)成，而這些“無機”晶體則是由元素周期表中更廣泛的元素構(gòu)成——在這種情況下，是硫和鍺。由于有機分子的主要成分碳具有獨特性質(zhì)，形狀往往千奇百怪，而無機分子則更傾向于直線型和窄型。為了創(chuàng)造扭曲的結(jié)構(gòu)，研究小組利用了一種叫做螺旋位錯的晶體缺陷，這是有序晶體結(jié)構(gòu)中的一種“錯誤”，它會產(chǎn)生一定的扭曲力。

這種以科學(xué)家約翰·d·埃舍比(John D. Eshelby)名字命名的“埃舍比扭曲”(Eshelby Twist)，已經(jīng)被用來制造像松樹一樣螺旋狀的納米線。但是這項研究是第一次將埃舍比扭轉(zhuǎn)用于制造由原子厚度的半導(dǎo)體二維層疊加而成的晶體。通常，人們討厭材料上的缺陷——想要一個完美的晶體，但這一次，我們不得不感謝這些缺陷，它們讓我們在材料層之間創(chuàng)造出一種自然的扭曲。

在去年的一項重大發(fā)現(xiàn)中，當(dāng)兩片原子厚度的石墨烯以所謂“魔角”堆疊和扭曲時，石墨烯就會成為超導(dǎo)材料。雖然其他研究人員已經(jīng)成功地一次疊加兩層，但這篇新論文提供了一種合成疊加結(jié)構(gòu)的方法，這種結(jié)構(gòu)可以以連續(xù)扭曲的方式疊加數(shù)十萬層甚至數(shù)百萬層。論文第一作者之一、加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程專業(yè)研究生劉音(音譯)表示：觀察到扭曲晶體中離散臺階的形成，它將光滑扭曲的晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形樓梯，這是一種與埃舍比扭曲機制相關(guān)的新現(xiàn)象。

令人驚訝的是，材料之間的相互作用可以產(chǎn)生許多不同、美麗的幾何形狀。通過調(diào)整材料的合成條件和長度，研究人員可以改變層與層之間的角度，創(chuàng)造出一種扭曲的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)要么像彈簧一樣緊，要么像彈簧一樣松。雖然研究小組通過生長硫化鍺的螺旋晶體演示了這項技術(shù)，但它很可能被用于生長其他形成類似原子薄層的材料層。材料科學(xué)與工程系系主任、資深理論家達里爾?克贊在論文中表示：這種扭曲的結(jié)構(gòu)源自存儲能量與相對滑動兩層材料能源成本之間的競爭。

沒有理由期望這種競爭僅限于硫化鍺，而類似的結(jié)構(gòu)應(yīng)該在其他二維材料體系中也能實現(xiàn)。這些層狀材料的扭曲行為，通常只有兩層以不同角度扭曲，已經(jīng)顯示出巨大的潛力，并吸引了物理和化學(xué)界的大量關(guān)注。現(xiàn)在，隨著所有這些扭曲層在新材料中結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)它們是否會顯示出與這些材料常規(guī)堆積不同的材料特性變得非常有趣，但目前，對這些性質(zhì)的了解非常有限，因為這種材料是如此的新，新的機遇在等著我們。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)伯克利分校

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1308-y

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