Grafite amorfa (gialla) ottenuta dopo trattamento termico ad alta temperatura (3000K) da una configurazione iniziale casuale (grigia). Credito:Università dell'Ohio
Con l'aumento dell'appetito mondiale per materiali a base di carbonio come la grafite, i ricercatori dell'Università dell'Ohio hanno presentato questa settimana le prove per un nuovo solido di carbonio che hanno chiamato "grafite amorfa".
Il fisico David Drabold e l'ingegnere Jason Trembly hanno iniziato con la domanda:"Possiamo fare la grafite dal carbone?"
"La grafite è un materiale di carbonio importante con molti usi. Un'applicazione fiorente per la grafite è per gli anodi delle batterie nelle batterie agli ioni di litio ed è fondamentale per l'industria dei veicoli elettrici:una Tesla Model S richiede in media 54 kg di grafite. Tali elettrodi sono migliori se realizzati con materiali di puro carbonio, che stanno diventando sempre più difficili da ottenere a causa della spirale della domanda tecnologica", scrivono nel loro articolo "Ab initio simulation of amorphous graphite", pubblicato oggi in Physical Review Letters .
"Ab initio" significa "dall'inizio" e il loro lavoro persegue nuovi percorsi verso forme sintetiche di grafite da materiale carbonioso presente in natura. Quello che hanno trovato, con diversi calcoli, era un materiale stratificato che si forma a temperature molto elevate (circa 3000 gradi Kelvin). I suoi strati stanno insieme a causa della formazione di un gas di elettroni tra gli strati, ma non sono gli strati perfetti di esagoni che compongono il grafene ideale. Questo nuovo materiale ha molti esagoni, ma anche pentagoni ed ettagoni. Quel disturbo dell'anello riduce la conduttività elettrica del nuovo materiale rispetto al grafene, ma la conduttività è ancora elevata nelle regioni dominate in gran parte dagli esagoni.
Non tutti gli esagoni
"In chimica, il processo di conversione dei materiali carboniosi in una struttura grafitica stratificata mediante trattamento termico ad alta temperatura è chiamato grafitizzazione. In questa lettera, mostriamo da simulazioni dinamiche molecolari ab initio e machine learning che le reti di carbonio puro hanno una schiacciante propensione a convertire a una struttura a strati in una finestra di densità e temperatura significativa con la stratificazione che si verifica anche per configurazioni di partenza casuali. Gli strati piatti sono grafene amorfo:atomi di carbonio a tre coordinate topologicamente disordinati disposti su piani con pentagoni, esagoni ed ettagoni di carbonio ", ha affermato Drabold , illustre professore di fisica e astronomia presso il College of Arts and Sciences dell'Università dell'Ohio.
"Dato che questa fase è topologicamente disordinata, il solito 'registro di impilamento' della grafite è rispettato solo statisticamente", ha detto Drabold. "La stratificazione viene osservata senza correzioni di Van der Waals alle forze del funzionale della densità (LDA e PBE), e discutiamo la formazione di un gas di elettroni delocalizzato nelle gallerie (vuoti tra i piani) e mostriamo che la coesione interplane è in parte dovuta a questo basso- gas di elettroni di densità. La conduttività elettronica nel piano è drasticamente ridotta rispetto al grafene."
I ricercatori si aspettano che il loro annuncio stimolerà la sperimentazione e gli studi sull'esistenza della grafite amorfa, che potrebbe essere testabile da esfoliazione e/o sonde strutturali di superficie sperimentali.
Trembly, professore Russ di ingegneria meccanica e direttore dell'Istituto per l'energia sostenibile e l'ambiente presso il Russ College of Engineering and Technology dell'Università dell'Ohio, ha lavorato in parte sugli usi ecologici del carbone. Lui e Drabold, insieme agli studenti di dottorato in fisica Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu e Kishor Nepal, hanno collaborato alla ricerca. Drabold fa anche parte del Nanoscale &Quantum Phenomena Institute dell'OHIO e ha pubblicato una serie di articoli sulla teoria del carbonio amorfo e del grafene amorfo. Drabold ha anche sottolineato l'eccellente lavoro dei suoi studenti laureati nello svolgimento di questa ricerca.
Coesione interplane sorprendente
"La domanda che ci ha portato a questo è se potremmo produrre grafite dal carbone", ha detto Drabold. "Questo documento non risponde completamente a questa domanda, ma mostra che il carbonio ha una tendenza schiacciante a stratificarsi, come la grafite, ma con molti 'difetti' come pentagoni ed ettagoni (anelli di atomi di carbonio a cinque e sette membri), che si adattano in modo del tutto naturale alla rete. Presentiamo prove dell'esistenza della grafite amorfa e descriviamo il suo processo di formazione. Da esperimenti è stato sospettato che la grafitizzazione avvenga vicino a 3.000 K, ma i dettagli del processo di formazione e la natura del disordine nei piani era sconosciuto", ha aggiunto.
Il lavoro dei ricercatori della Ohio University è anche una previsione di una nuova fase del carbonio.
"Fino a quando non lo abbiamo fatto, non era affatto ovvio che strati di grafene amorfo (i piani inclusi pentagoni ed ettagoni) si sarebbero uniti in una struttura a strati. Lo trovo abbastanza sorprendente, ed è probabile che gli sperimentatori andranno a caccia di questo roba ora che la sua esistenza è prevista", ha detto Drabold. "Il carbonio è l'elemento miracoloso:puoi creare la vita, diamante, grafite, Bucky Balls, nanotubi, grafene e ora questo. C'è anche molta fisica di base interessante in questo, ad esempio come e perché gli aerei si legano, questo di per sé è abbastanza sorprendente per ragioni tecniche". + Esplora ulteriormente
