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  • I materiali bidimensionali ottengono una nuova teoria per il controllo delle proprietà

    Un confine di grano si forma quando la crescita del grafene avanza oltre un apice su una protuberanza conica, dove la curvatura assomiglia a quella di una sfera; termina ai piedi della protuberanza, dove la curvatura è a sella. Credito:Crespi, Penn State

    Proprietà desiderabili tra cui una maggiore conduttività elettrica, proprietà meccaniche migliorate, o il magnetismo per l'archiviazione della memoria o l'elaborazione delle informazioni può essere possibile grazie a un metodo teorico per controllare i bordi dei grani in materiali bidimensionali, secondo gli scienziati dei materiali della Penn State.

    I materiali bidimensionali (2D) sono stati oggetto di intensi studi nell'ultimo decennio, ma prima del lavoro di Yuanxi Wang, un recente dottorando della Penn State e Vincent H. Crespi, illustre professore di fisica, scienza dei materiali, ingegneria e chimica alla Penn State, nessuno aveva escogitato un modo generale per controllare la posizione e il tipo di bordi dei grani nei materiali 2D.

    "Quando si coltiva un materiale 2D, una pellicola sottile, stai depositando materiali su un substrato, "Spiegava Crespi. "Mentre gli atomi cadono sul substrato, si auto-organizzano in aree cristalline chiamate grani."

    Quando i grani si espandono, corrono in altre regioni cristalline in crescita, e il punto in cui si incontrano è chiamato confine di grano. Ma come piastrellare un pavimento lanciando le piastrelle a caso, l'orientamento dei grani e i bordi dei grani sono arbitrari, che influenza le proprietà del materiale.

    Fino a questo lavoro, pubblicato sulla rivista Nano lettere , questi confini di grano casuali sono stati in gran parte considerati sfortunati sottoprodotti del processo di deposizione.

    "Tipicamente, quando stai coltivando un materiale, quei confini di grano casuali sono cattivi, " disse Crespi. "Gli atomi non si accoppiano tra loro come fanno nei normali cristalli. Corrente e calore non passano facilmente. Tendono a disperdere calore ed elettroni".

    Crespi e Wang hanno avuto l'idea che manipolando il substrato sottostante, potrebbero predeterminare dove inizieranno e finiranno i confini del grano, e farli allineare in posizioni ordinate. Le forme chiave erano basate su qualcosa chiamato curvatura gaussiana, una serie di protuberanze e avvallamenti emisferici su un substrato che ricorda un cartone per le uova.

    Wang ha fatto calcoli che hanno mostrato che per due materiali 2D ampiamente studiati, grafene e bisolfuro di molibdeno, la crescita formerebbe bordi di grano in posizioni specifiche piuttosto che staccarsi dal substrato o sviluppare pieghe indesiderate. Se il materiale 2D non aderisce bene al supporto, genererà una piega.

    "Abbiamo scoperto che l'energia e la cinetica della formazione dei bordi dei grani rispetto a una piega o un distacco, erano favorevoli nel grafene e nel bisolfuro di molibdeno, e applicabile a qualsiasi materiale 2D, " Wang ha detto. "Ma non qualsiasi bernoccolo farebbe. Devono avere una curvatura gaussiana".

    Le applicazioni includono l'archiviazione di memoria, dove il controllo dello stato magnetico di un sistema di confine a grana magnetica 2D mediante l'applicazione di una tensione sarebbe una capacità molto utile. Il controllo fine delle proprietà elettroniche tramite bordi di grano potrebbe essere utilizzato anche in spintronica, che elabora le informazioni utilizzando lo spin degli elettroni. Questi bordi di grano spesso controllano anche le proprietà meccaniche dei materiali, come il modo in cui rispondono allo stiramento.

    "Questo offre alle persone un nuovo modo di pensare all'ottimizzazione delle proprietà dei materiali 2D in cui hanno un maggiore controllo rispetto al passato, " disse Crespi. "Non sapevamo di poter avere un controllo così preciso dei bordi del grano, e quindi non abbiamo pensato di studiare attentamente il magnetico, proprietà termiche ed elettroniche dei bordi di grano con un occhio alla creazione di "materiali di bordo del grano" le cui proprietà sono determinate da una distribuzione controllata di bordi di grano specificati."

    Il loro articolo in Nano lettere è intitolato "Teoria dei confini dei grani di lunghezza finita dell'angolo di disadattamento controllato nei materiali bidimensionali".


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