Een visuele weergave van C60-bolvormige koolstofallotropen, die niet alleen de rondste moleculen zijn die er bestaan, maar die ook 3D-topologische defecten belichamen. Krediet: Dr. Johan Christensen, IMDEA Materials Institute
Onderzoekers hebben een nieuwe benadering gevolgd bij het bestuderen van de interactie tussen bepaalde topologische metamaterialen en de voortplanting van geluidsgolven.
De techniek, door dr. Johan Christensen van IMDEA Materials beschreven als ‘cut-and-glue’, was een van de methoden die in de recente publicatie werd gebruikt.Visualisatie van de topologische vijfhoekige toestanden van een gigantische C540 metamateriaal” in Natuurcommunicatie.
De studie richt zich op Buckminsterfullereen, oftewel ‘buckyballs’, en maakt gebruik van 3D-printen om de moleculaire structuur van een C op te schalen540 fullereen, dat doorgaans een diameter van ongeveer 1,1 nanometer (nm) heeft. Om dat formaat in perspectief te plaatsen: het is grofweg 70.000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.
De macroscopische C540 Het model, dat een netwerk van met elkaar verweven zeshoeken en vijfhoeken bevat, stelde wetenschappers in staat het gedrag van geluidsgolven en de energieopsluiting te onderzoeken in een structuur geïnspireerd op koolstofallottropen, maar op een schaal die groot genoeg is om direct waar te nemen.
Fullerenen, of C60zijn bolvormige koolstofmoleculen met 12 vijfhoekige en 20 zeshoekige vlakken. Deze moleculen zijn gesynthetiseerd door middel van laserverdamping en gevonden in zeldzame natuurlijke materialen zoals shungietgesteenten en koolstofrijke sterren.
“Hoewel fullerenen unieke elektronische eigenschappen vertonen, is het observeren van deze eigenschappen op nanoschaal een uitdaging”, legt Dr. Christensen, een van de auteurs van het artikel, uit. “Door een grotere, 3D-geprinte C540 model konden we deze beperking overwinnen door inzicht te krijgen in hoe geluidsgolven interageren met de structurele defecten, bekend als topologische toestanden, binnen het koolstofrooster.
De 3D-geprinte C540 De structuur bestond uit holle buizen die in een netwerk van vijfhoeken en zeshoeken waren gerangschikt. Deze constructie maakt het mogelijk te bestuderen hoe geluidsgolven zich erdoorheen voortplanten, met een focus op hoe de vijfhoekige defecten het golfgedrag beïnvloeden.
“Door deze resonante modi te visualiseren, kunnen we zien hoe golven interageren met topologische defecten, wat anders moeilijk waar te nemen is in kleinere, gesynthetiseerde moleculen”, voegde Dr. Christensen eraan toe.
Om de C te creëren540 Met dit model hebben onderzoekers een homogeen vel grafeen gemaakt en vervolgens opgeschaald, een 2D-materiaal met de dikte van een enkel atoom. Vervolgens maakten ze gebruik van hun knip-en-lijmtechniek om de plaat in wiggen te snijden voordat ze deze weer in een voetbalachtige vorm vastmaakten om spannings- en krommingsgebieden in de structuur te creëren.
Deze techniek bootst de topologische defecten na die worden aangetroffen in koolstofmaterialen zoals grafeen en nanobuisjes. Het is bekend dat deze defecten het gedrag van elektronische golven beïnvloeden terwijl ze door het materiaal reizen, wat leidt tot gebieden waar golven beperkt zijn en zich op een onderscheidende manier gedragen.
Door deze topologische kenmerken te manipuleren, hebben onderzoekers aangetoond dat ze de voortplanting van golven kunnen beheersen, wat belangrijke toepassingen zou kunnen hebben in golfgeleiding, geluidsisolatie en andere akoestische technologieën.
De volgende stap voor onderzoekers zal onderzoek naar complexere fullereensymmetrieën omvatten door samenwerking met voormalig IMDEA Materials Visiting Researcher, prof. Humberto Terrones van het Rensselaer Polytechnic Institute.
Onder de onderzoekers bevonden zich leden van IMDEA Materials en IMDEA Nanoscience, in samenwerking met het Materials Science Institute of Madrid (ICMM-CSIC) en de Universiteit van Nanjing. Door dit partnerschap zullen onderzoekers zich concentreren op meerlaagse ui-structuren, met een bijzondere interesse in het ontsluiten van nieuwe symmetrieregels door rekening te houden met buigtrillingen in plaats van geluidsgolven. Deze resultaten kunnen relevant blijken voor ultrasone toepassingen.
Meer informatie:
Danwei Liao et al., Visualisatie van de topologische vijfhoekige toestanden van een gigantische C540 metamateriaal, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53819-9
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Geleverd door IMDEA-materialen
