Колода карт, в которой каждая карта слегка повёрнута, не может лечь ровно: рубашки и рисунки никак не совпадут. Но если карты гибкие, они начнут подстраиваться, сдвигаясь на доли миллиметра, чтобы найти идеальное совпадение. Нечто похожее происходит внутри кристаллов, когда два толстых слоя MoS2 или MoS2 с WS2 складывают с поворотом на 1–2 градуса. Их атомные решётки, как узоры на картах, стремятся совпасть, и для этого атомы смещаются, образуя области идеальной укладки.
До сих пор такую перестройку наблюдали только на поверхности или в тонких плёнках толщиной в пару атомных слоёв. Скрытые границы внутри толстых кристаллов оставались недоступными: методы, которые видят поверхность, туда не достают. Авторы новой работы применили многослойную электронную птихографию — метод, который сканирует образец сфокусированным пучком электронов и по дифракционным картинам восстанавливает структуру на разной глубине. Это как если бы карты просветили рентгеном и увидели, как сдвинулся каждый слой внутри колоды.
Эксперимент показал: на границе между двумя кристаллами MoS2, повёрнутыми на 1.23 градуса, возникли протяжённые домены с идеальной укладкой, разделённые частичными дислокациями — линейными дефектами, где атомы выстроились «ступенькой». Вдали от границы решётка оставалась почти идеальной. Анализ смещений более 40 000 атомных колонок выявил, что перестройка затухает с расстоянием: на двух слоях от границы смещение превышало 6 пикометров, а на четырёх падало до уровня шума. Значит, деформация проникает вглубь, но быстро затухает.
Сравнение с теоретической моделью дало неожиданный результат: реальная перестройка оказалась сильнее, чем предсказывали расчёты на основе параметров для тонких бислоёв. Причина в том, что внешние слои толстого кристалла подавляют изгиб, заставляя внутренние слои сильнее сжиматься и растягиваться в плоскости. Это важное отличие от свободных тонких плёнок, которые могут изгибаться свободно.
Теперь, когда скрытые границы стали видимыми, открывается путь к целенаправленному конструированию многослойных материалов. Зная, как именно атомы перестраиваются при скручивании, можно проектировать системы с заданными электронными и механическими свойствами. Колода карт, которая раньше казалась случайно перетасованной, теперь раскрывает свой порядок — слой за слоем.
Точность определения положения атомов в этом эксперименте составила около 3 пикометров, что в 30 раз меньше диаметра атома водорода.
Идея управления свойствами материалов через скручивание слоёв напоминает концепцию «скрученных» миров в научной фантастике, где малые изменения геометрии приводят к радикально иным физическим законам, как в романе Грега Игана «Лестница Шильда».