Come la maggior parte dei materiali, un elastico si assottiglia quando viene allungato. Ma alcuni materiali si comportano in modo opposto:diventano più spessi quando vengono allungati e più sottili quando vengono compressi. Queste sostanze controintuitive, conosciuti come materiali auxetici, tendono ad avere un'elevata resistenza al taglio o alla frattura e sono utilizzati in applicazioni come impianti medici e sensori. Ma in genere, questo effetto auxetico si vede solo quando il materiale è distorto in una particolare direzione.

Ora, Minglei Sun e Udo Schwingenschlögl hanno previsto che un gruppo di materiali a base di carbonio, formato in fogli sottili come un atomo, dovrebbe mostrare questo effetto auxetico in ogni direzione. Questo fenomeno non è mai stato osservato prima in nessun materiale anisotropo 2D, una famiglia in crescita di materiali piatti che include diversi materiali potenzialmente auxetici.

I ricercatori KAUST hanno calcolato diverse caratteristiche chiave di tre materiali 2D chiamati solfuro di carbonio, seleniuro di carbonio e tellururo di carbonio, che uniscono il carbonio con elementi noti collettivamente come calcogeni. I calcoli si basano sulla teoria del funzionale della densità, un approccio comunemente usato basato sulla meccanica quantistica, e descrivono le caratteristiche dei materiali come la loro stabilità strutturale, comportamento meccanico e proprietà elettroniche.

Tutti i materiali auxetici hanno un rapporto di Poisson negativo, un numero che descrive come un materiale si deforma quando viene allungato o compresso. Ma i ricercatori hanno scoperto che i tre materiali sono unicamente auxetici perché hanno un rapporto di Poisson negativo omnidirezionale. "Siamo rimasti sorpresi di aver trovato una serie di materiali anisotropi 2D con rapporto di Poisson negativo in tutte le direzioni, "dice Sole.

I calcoli di Sun e Schwingenschlögl prevedono che tutti e tre i materiali dovrebbero essere stabili a temperatura ambiente, suggerendo che potrebbe essere possibile sintetizzarli e isolarli. Spiegano anche l'effetto auxetico omnidirezionale dei materiali in termini di strutture cristalline e legame chimico. Il tellururo di carbonio mostra il più forte effetto auxetico, che è maggiore in tutte le direzioni rispetto ai valori più alti osservati nella maggior parte degli altri materiali auxetici 2D. Ha anche il ceppo di frattura più elevato dei tre materiali studiati dai ricercatori KAUST.

Secondo la squadra, i materiali dovrebbero essere semiconduttori in grado di assorbire la luce del vicino infrarosso o visibile. I tre calcogenuri di carbonio "si rivelano semiconduttori a banda proibita diretti o quasi diretti con un impressionante assorbimento della radiazione solare, " afferma Sun. Ciò implica che i materiali potrebbero essere utili nei dispositivi fotovoltaici o come catalizzatori alimentati dalla luce. "Il nostro prossimo passo è prevedere più materiali auxetici 2D con rapporto di Poisson negativo in tutte le direzioni, " dice Schwingenschlögl.