Графен — это углеродная плёнка толщиной ровно в один атом. Два таких листа, положенных друг на друга с небольшим поворотом, ведут себя совсем иначе, чем одиночный лист. При угле около 1,1 градуса электроны в них замедляются так сильно, что материал может стать сверхпроводником или изолятором — в зависимости от условий. Такой угол называют «магическим».
Проблема в том, что сложить два листа с точным поворотом вручную почти невозможно. Учёные из Китая нашли способ выращивать скрученный графен сразу на платиновой подложке. Они заметили, что разные зёрна платины (участки с разной ориентацией атомов) обладают разной каталитической активностью — на одних графен растёт быстрее, на других медленнее. Если подобрать соседние зёрна с сильно различающейся активностью, растущий слой графена сам складывается или рвётся в нужном месте, образуя поворот с заранее заданным углом.
Исследователи использовали химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — метод, при котором углерод из газообразного метана оседает на горячую платину и образует графеновую плёнку. Наблюдая за ростом в реальном времени, они выяснили, что ориентация графена зависит от микрорельефа поверхности платинового зерна. Атомные ступеньки на поверхности действуют как направляющие: графен растёт вдоль них, а при переходе на другое зерно может изменить направление и сложиться.
Так удалось получить не только скрученные слои с произвольными углами, но и с магическим углом, при котором электронные зоны становятся плоскими. Это значит, что электроны перестают разгоняться и движутся с одинаковой скоростью, что сильно усиливает взаимодействие между ними и порождает необычные квантовые состояния.
Метод пригоден для массового производства: не нужно вручную переносить и совмещать слои, всё происходит в одном процессе роста. Это приближает создание электронных устройств на основе скрученного графена — от сверхчувствительных датчиков до элементов квантовых компьютеров.
Платина — не просто подложка, а катализатор. Она разлагает метан на углерод и водород, и именно углерод собирается в графеновую решётку. При этом разные грани кристалла платины работают с разной скоростью, что и позволяет управлять ростом.
В фантастике часто встречаются материалы с программируемыми свойствами, которые меняются от поворота слоёв. Например, в романе Нила Стивенсона «Алмазный век» описаны умные материалы, реагирующие на структуру. Скрученный графен — реальный шаг к таким технологиям.