El trabajo está algo aislado: los vecinos más cercanos en el archivo tratan sobre espines cuánticos en cristales laminares, compresión de caucho, torsión de células, conmutación de flujos de carga y patrones magnéticos en materiales retorcidos. Todos ellos, de una forma u otra, tocan la mecánica y la electrónica de los materiales bidimensionales, pero nadie había medido directamente cómo depende el par de torsión del área de contacto en una interfaz de van der Waals. Alrededor ya se han estudiado la orientación espontánea, el deslizamiento y la fricción, pero la mecánica de la torsión seguía siendo un punto ciego. Este trabajo, por primera vez, sitúa la torsión y el deslizamiento en un mismo marco experimental y revela una diferencia fundamental entre ambas.
Los científicos fabricaron mesas cilíndricas de grafito y de nitruro de boro hexagonal con palancas integradas. Con un microscopio de fuerza atómica aplicaron una fuerza tangencial a la palanca, retorciendo la mesa superior respecto a la inferior, y midieron el par resultante. Para comparar, desplazaron lateralmente las mismas mesas aplicando fuerza a una tapa metálica. En paralelo, realizaron simulaciones de dinámica molecular cuasiestáticas con capas flexibles y las compararon con modelos rígidos para identificar el papel de la reconstrucción elástica.
El momento máximo de fuerza crece linealmente con el área de contacto para ambas interfaces: grafito/grafito y grafito/nitruro de boro. Esto contradice la teoría clásica, que predice una dependencia cuadrática. Además, la fuerza de fricción por deslizamiento para estos dos sistemas difiere en más de tres órdenes de magnitud, mientras que el momento de fuerza difiere solo en un factor de veinte. Las simulaciones atomísticas mostraron que la reconstrucción elástica de la red desplaza la zona efectiva de carga hacia los bordes del contacto, y la parte interna casi no contribuye al par. Para la heterointerfaz grafito/nitruro de boro, las celdas de moiré incompletas en los bordes dominan la resistencia a la torsión.
El trabajo se distingue de los vecinos porque mide directamente, por primera vez, el par de torsión en interfaces de van der Waals y lo relaciona con la geometría de la carga. Los estudios vecinos se centraban en propiedades electrónicas o magnéticas de materiales retorcidos, pero no en la mecánica de la torsión en sí. Aquí se demuestra que las propiedades traslacionales y las torsionales no se pueden predecir una a partir de la otra: están gobernadas por diferentes vías de transmisión de tensiones. Este es un principio nuevo para entender la mecánica de los materiales laminares.
El tema podría desarrollarse hacia el estudio de la dinámica de la torsión a diferentes velocidades, temperaturas y con defectos. Sería interesante investigar cómo cambia el comportamiento dominado por el borde en otros materiales bidimensionales y heteroestructuras. Quizás aparezcan modelos que consideren no solo la reconstrucción elástica, sino también deformaciones plásticas o modificaciones químicas de los bordes.
Los resultados son importantes para el diseño de dispositivos micro y nanoelectromecánicos reconfigurables dinámicamente, donde se requiere un control preciso del ángulo de torsión. También influyen en la comprensión de la estabilidad de las estructuras de moiré y en el desarrollo de recubrimientos tribológicos.
El siguiente paso es medir el par de torsión para un rango más amplio de tamaños y materiales, así como verificar las predicciones del modelo a diferentes temperaturas. Sería útil desarrollar métodos experimentales para visualizar la distribución de tensiones en tiempo real.
El trabajo conecta la mecánica de la torsión con el problema no resuelto de predecir la fricción y el desgaste a escala nanométrica. Muestra que la geometría de la carga cambia fundamentalmente la respuesta de la interfaz, algo que debe tenerse en cuenta en cualquier modelo de mecánica de contacto.
El momento de fuerza para grafito sobre grafito con un radio de 2 micras fue de unos 40 nN·m, comparable al momento que genera una hormiga al girar una brizna de hierba de 1 mm de largo.
En la novela de Arthur C. Clarke 'El fin de la infancia', los extraterrestres utilizan una tecnología que permite manipular materiales a nivel atómico. Este trabajo sobre la torsión controlada de capas recuerda los primeros pasos hacia tales capacidades.