Il grafene è il materiale preferito dai fisici all'avanguardia nella scienza dei materiali, e i ricercatori della Rice University sono proprio lì con il branco - e forse un po' più avanti.

Ricercatori guidati da Boris Yakobson, un professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica, hanno scoperto che l'estrazione strategica di atomi di idrogeno da un foglio bidimensionale di grafano apre naturalmente spazi di grafene puro che sembrano - e agiscono - come punti quantici.

Ciò apre un nuovo mondo di possibilità per una classe sempre più ridotta di nanoelettronica che dipendono dalle proprietà semiconduttive altamente controllabili dei punti quantici, in particolare nel campo dell'ottica avanzata.

Il lavoro teorico di Abhishek Singh e Evgeni Penev, entrambi ricercatori post-dottorato nel gruppo del coautore Yakobson, è stato pubblicato online la scorsa settimana sulla rivista ACS Nano e sarà sulla copertina della versione cartacea a giugno. Rice è stata recentemente nominata l'istituzione numero 1 al mondo per la ricerca sulla scienza dei materiali da una pubblicazione del Regno Unito.

Il grafene è diventato il Flat Stanley dei materiali. Lo spessore di un atomo, la forma del carbonio a nido d'ape può essere bidimensionale, ma sembra essere ovunque, propagandato come una soluzione per superare i limiti della legge di Moore.

Il grafene è semplicemente grafene modificato da atomi di idrogeno aggiunti su entrambi i lati della matrice, che lo rende un isolante. Anche se tecnicamente è ancora spesso solo un singolo atomo, il grafano offre grandi possibilità per la manipolazione delle proprietà semiconduttive del materiale.

I punti quantici sono molecole cristalline da pochi a molti atomi di dimensioni che interagiscono con la luce e i campi magnetici in modi unici. La dimensione di un punto determina il suo band gap - la quantità di energia necessaria per chiudere il circuito - e lo rende sintonizzabile in misura precisa. Le frequenze di luce ed energia rilasciate dai punti attivati ​​li rendono particolarmente utili per sensori chimici, celle solari, imaging medico e circuiti su scala nanometrica.

Singh e Penev hanno calcolato che la rimozione di isole di idrogeno da entrambi i lati di una matrice di grafano lascia un pozzo con tutte le proprietà dei punti quantici, che può anche essere utile nella creazione di matrici di punti per molte applicazioni.

"Siamo arrivati ​​a queste idee da uno studio completamente diverso sullo stoccaggio di energia sotto forma di adsorbimento di idrogeno su grafene, " ha detto Yakobson. "Abhishek ed Evgeni si sono resi conto che questa trasformazione di fase (da grafene a grafano), accompagnato dal passaggio da metallo a isolante, offre una nuova tavolozza per la nanoingegneria."

Il loro lavoro ha rivelato diverse caratteristiche interessanti. Hanno scoperto che quando vengono rimossi pezzi del sottoreticolo di idrogeno, l'area lasciata è sempre esagonale, con un'interfaccia netta tra il grafene e il grafano. Questo è importante, loro hanno detto, perché significa che ogni punto è altamente contenuto; i calcoli mostrano una perdita di carica molto ridotta nel materiale ospite del grafano. (Come, precisamente, rimuovere gli atomi di idrogeno dal reticolo rimane una questione per gli scienziati dei materiali, chi ci sta lavorando, loro hanno detto.)

"Hai uno spettro simile ad un atomo incorporato in un supporto, e poi puoi giocare con il band gap cambiando la dimensione del punto, " Ha detto Singh. "Si può essenzialmente sintonizzare le proprietà ottiche."

Insieme alle applicazioni ottiche, i punti possono essere utili nel rilevamento di singole molecole e potrebbero portare a transistor molto piccoli o laser a semiconduttore, Egli ha detto.

Rimangono delle sfide nel capire come creare matrici di punti quantici in un foglio di grafano, ma né Singh né Penev considerano gli ostacoli insormontabili.

"Pensiamo che le principali conclusioni del documento siano sufficienti per entusiasmare gli sperimentalisti, " disse Singh, che presto lascerà la Rice per diventare assistente professore all'Indian Institute of Science di Bangalore. "Alcuni stanno già lavorando nelle direzioni che abbiamo esplorato".

"Il loro lavoro è in realtà supportare ciò che stiamo suggerendo, che puoi eseguire questo schema in modo controllato, " ha detto Penev.

Quando i loro calcoli potrebbero dare frutti commerciali? "Questa è una domanda difficile, " Singh ha detto. "Non sarà così lontano, probabilmente - ma ci sono sfide. Non so se possiamo dargli un lasso di tempo, ma potrebbe succedere presto".