Если сложить две коробки для яиц так, чтобы их вершины и впадины точно совпали, одну коробку нельзя будет сдвинуть относительно другой. Но если сложить их со сдвигом, так чтобы они перестали совпадать, верхняя коробка сможет скользить вдоль вершин нижней.
Нечто подобное происходит между листами бислойного графена и других двумерных материалов. В обычном бислое с выровненными решётками листы удерживаются в энергетически выгодной конфигурации. Но при определённых углах скручивания у двухслойной сверхрешётки отсутствует дальний порядок, ни одна конфигурация не является предпочтительной, и один лист может свободно перемещаться относительно другого.
Цзинь Ван и Эрио Тосатти из Международной школы перспективных исследований (SISSA) в Италии обнаружили, что это состояние без трения удивительно устойчиво.
Переход от скольжения к удержанию
Переход от скольжения к удержанию впервые был проанализирован 40 лет назад для цепочки частиц, движущихся через периодический одномерный потенциал. Когда расстояние между частицами совпадает с периодичностью потенциала, цепочка удерживается на месте и становится неподвижной. В противном случае — так называемое несоразмерное состояние — цепочка свободно скользит. Но даже в этом состоянии удержание может произойти неожиданно, когда гибкость цепочки или глубина потенциала превышают определённые значения.
Ван и Тосатти решили задачу для двумерных материалов, моделируя бислои графена, гексагонального нитрида бора и дисульфида молибдена. Они варьировали угол скручивания, жёсткость листов и — в качестве аналога глубины потенциала — механическую нагрузку на листы.
Исследователи обнаружили, что состояние свободного скольжения сохраняется при углах скручивания до 0,3° и при нагрузках до 10 гигапаскалей. Благодаря устойчивости скрученных бислоёв их можно использовать для создания поверхностей с низким трением в наноэлектромеханических устройствах.