I sensori realizzati con materiali a base di carbonio possono fornire informazioni uniche e accurate e in tempo reale sulle malattie ereditarie o sulle concentrazioni di farmaci nel corpo. Oltre alla medicina, materiali carboniosi sono utilizzati nelle batterie, celle solari e depurazione dell'acqua.

Altri elementi, come idrogeno e ossigeno, sono quasi sempre presenti nei materiali a base di carbonio, che altera le proprietà dei materiali. Perciò, la modifica dei materiali per le applicazioni desiderate richiede una conoscenza a livello atomico sulle strutture superficiali del carbonio e sulla loro chimica. Ricercatori dell'Università Aalto, l'Università di Cambridge, l'Università di Oxford e la Stanford University hanno compiuto un nuovo significativo passo avanti nella descrizione della natura atomica dei materiali carboniosi.

Informazioni dettagliate sulle superfici in carbonio possono essere ottenute mediante spettroscopia a raggi X, ma lo spettro che produce è difficile da interpretare perché riassume le informazioni provenienti da diversi ambienti chimici locali della superficie. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di analisi sistematica che utilizza l'apprendimento automatico per integrare il modello computazionale (teoria del funzionale della densità) con i risultati sperimentali del campione di carbonio. La nuova metodologia consente di separare lo spettro sperimentale prodotto dalla spettroscopia a raggi X in dati a livello atomico.

"Nel passato, i risultati sperimentali sono stati interpretati in modo diverso, sulla base di diversi riferimenti bibliografici, ma ora siamo stati in grado di analizzare i risultati utilizzando solo riferimenti computazionali. Il nuovo metodo ci offre una comprensione molto migliore della chimica della superficie del carbonio senza pregiudizi indotti dall'uomo, "dice Anja Arva, uno studente di dottorato alla Aalto University.

Il nuovo metodo amplia la conoscenza dei materiali a base di carbonio

In uno studio in due parti, i ricercatori hanno inizialmente studiato come il carbonio legato in modo diverso influisce qualitativamente sulla formazione dello spettro sperimentale. I ricercatori hanno quindi tentato di aggregare lo spettro misurato con i dati di riferimento dello spettro computazionale per ottenere una stima quantitativa di cosa consiste lo spettro sperimentale. Questo era per aiutarli a determinare quale fosse la natura del campione di carbonio a livello atomico. La nuova metodologia è adatta per analizzare la chimica superficiale di varie forme di carbonio, come il grafene, diamante e carbonio amorfo.

Lo studio è una continuazione del lavoro del ricercatore post-dottorato della Aalto University Miguel Caro e del professor Volker Deringer dell'Università di Oxford, che ha mappato ampiamente la struttura e la reattività del carbonio amorfo. Lo studio utilizza metodi di apprendimento automatico sviluppati dal professor Volker Deringer e dal professor Gabor Csányi dell'Università di Cambridge. Le misurazioni sperimentali sono state effettuate da Sami Sainio, un ricercatore post-dottorato con sede ad Aalto presso la Stanford University.

"Prossimo, intendiamo utilizzare la metodologia che abbiamo sviluppato per prevedere, Per esempio, quale tipo di superficie di carbonio sarebbe la migliore per l'identificazione elettrochimica di alcuni neurotrasmettitori, e poi provare a produrre la superficie desiderata. In questo modo, il lavoro computazionale guiderebbe il lavoro sperimentale e non viceversa, come di solito accadeva in passato, "Tomi Laurila, ha detto il professore alla Aalto University.

Lo studio è stato pubblicato come articolo in due parti in Chimica dei materiali .