Согласно исследованию, опубликованному в ACS Nano.

Однослойные или двумерные материалы обычно состоят из одного слоя атомов, что означает, что их толщина составляет всего несколько нанометров. В последние годы им уделяется значительное внимание благодаря их физическим, электрическим, химическим и оптическим свойствам, что делает их полезными в самых разных областях применения - от бытовой электроники до медицинских и промышленных технологий.

"2D-материалы очень тонкие и очень гибкие", - сказал Якобсон. "В однослойных сегнетоэлектриках это приводит к неожиданному самопроизвольному активному изгибу".

"Новизна, которую мы обнаружили в этом исследовании, заключается в том, что существует связь между сегнетоэлектрическим состоянием и изгибом материала. Эта работа сочетает в себе открытие или предсказание фундаментального свойства класса двумерных материалов с точки зрения практического применения ".

Сегнетоэлектрики - это материалы, состоящие из отрицательных и положительных ионов, которые могут смещаться, вызывая спонтанную поляризацию, что означает разделение ионов в зависимости от их электрического заряда.

"Интересно то, что атомы не идентичны", - объясняет Чжун-Цзе Чжан, научный сотрудник Rice postdoctoral и ведущий автор исследования. "Некоторые из них больше, а некоторые меньше, поэтому симметрия слоев нарушена".

Поляризация перемещает более крупные атомы на одну сторону слоя двумерного материала, а атомы меньшего размера - на другую сторону. Это асимметричное распределение атомов или ионов приводит к изгибу поверхности материала в сегнетоэлектрическом состоянии.

"Таким образом, вместо того, чтобы оставаться плоским, в сегнетоэлектрическом состоянии материал будет изгибаться", - сказал Якобсон. "Если вы переключите поляризацию - а вы можете переключить ее, приложив электрическое напряжение, - вы сможете контролировать направление, в котором она будет изгибаться. Такое контролируемое поведение означает, что у вас есть привод.

"Исполнительный механизм - это любое устройство, которое преобразует сигнал - во многих случаях электрический сигнал, но это может быть сигнал другого вида - в механическое перемещение или, другими словами, движение или работу".

В исследовании рассматривался двумерный фосфид индия (InP) как представитель класса сегнетоэлектриков, для которого предсказывается это свойство.

"Это новое свойство или изгибающее поведение должно быть протестировано в лаборатории на наличие конкретных веществ", - сказал Якобсон. "Наиболее вероятным его использованием будет использование в качестве типа переключателя. Такое поведение очень быстрое и очень чувствительное, что означает, что с помощью очень слабого локального сигнала вы, возможно, сможете включить турбину или электрический двигатель или управлять зеркалами телескопов с адаптивной оптикой. В этом, по сути, и заключается суть этих приводов.

"Когда вы ведете свою машину, у вас есть множество ручек и переключателей, и это делает все действительно легким. Вам больше не нужно открывать окно своей машины, вы можете просто включить выключатель."

Якобсон - профессор материаловедения и наноинженерии университета Райса имени Карла Ф. Хассельмана. Химик из университета Таифа Тарик Алталхи является соавтором исследования.

Исследовательское управление армии США (W911NF-16-1-0255 ) и Управление военно-морских исследований (N00014-22-1-2753 ) поддержал работу, используя вычислительные ресурсы, предоставленные в рамках программы ACCESS Национальным научным фондом (гранты 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296).