宾夕法尼亚州立大学的团队将“魔角”石墨烯应用于声学

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声学石墨烯阵列图像的可视化可视化石墨烯阵列

宾夕法尼亚州立大学的一个研究人员设计了一种声学等效的魔角双层石墨烯。当其中一层以一定角度(“魔术”角)扭曲时,彼此堆叠的两层石墨烯片(称为双层石墨烯)表现出独特的性能。研究材料的两层之间的魔术和其他角度失准及其对材料性能的影响已被称为扭转学,这是凝聚态物理迅速发展的领域。

可视化石墨烯阵列的可视化。图片由PSU提供

声学与生物医学工程学副教授Yun Jing表示:“研究凝聚态物理概念的类似物可以为我们带来新的声学思想和应用。”

在模拟中,研究团队从包含六角形孔图案的平板构建了声学设计,该孔形类似于纳米级中石墨烯中原子的排列。他们添加了另一个类似于石墨烯的板层,使板对齐,但在两者之间留有垂直气隙,并扭曲了顶板。这种扭曲产生了一种独特的摩尔纹图案(也见于典型的魔角石墨烯中),这是由于两个重叠的相似图案(其中一个略微旋转或偏移)导致的。

研究人员随后模拟了声波在阵列内的运动。他们发现,当波以一定的扭曲角在板之间传播时,声能集中在摩尔纹图案的特定区域周围,其中上层和底层的孔对齐。研究人员说,这种行为反映了原子角尺度上魔角石墨烯中电子的行为。

“通过石墨烯等材料移动的电子在数学上类似于在重复结构之间通过空气移动的声波,”声学博士生邓元辰说。


研究小组说,这些相似之处可以帮助研究人员从理论上探索常规魔角石墨烯的进一步应用,而不受实验限制。Jing说,由于它们不是在纳米级设计的,因此它们的声学系统在实验室中将更容易制造,并且在样品更大的情况下,扭曲也会更易于控制。

研究人员还发现,他们的装置为探索魔角创造了新的可能性,为此,现有研究集中在三度以下的小角上。研究人员可以控制石墨烯板之间的距离来控制魔角,这对于纳米级的魔角石墨烯来说是极其困难的。研究人员发现,他们的发展产生了比以前想象的要多得多的魔角。

Jing说:“通过更大的扭转角,我们可以减小结构的尺寸。” “样品将更易于仿真,并最终得以制造。”

在声石墨烯阵列的某些位置中波能的集中可用于能量收集。如果将石墨烯板设计为在声能受限的区域为压电体,则它们可以将声波振动产生的机械能转换为电能。经过进一步的研究,魔幻角石墨烯可能适合在各种情况下收集能量。

研究人员计划研究声学魔角石墨烯的更多可能性,并将研究范围扩展到涉及不同类型波的领域。

邓说:“将这种双层结构置于宏观范围内,您可以试验不同的结构和波浪。” “我们的系统是声学的,但可以使用类似于波动方程的数学函数为任何系统提供反馈。”




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