Oltre alla sua capacità di condurre elettroni quasi senza resistenza, il nanomateriale grafene ha anche incredibili proprietà meccaniche, compresa l'elevata resistenza che un giorno potrebbe renderlo utile in leggerezza, strutture robuste. Ma questo materiale non è privo di difetti, inclusa una famiglia di difetti simili a fiori che potrebbero sminuire le sue proprietà elettroniche e meccaniche.

In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review B, i ricercatori del Georgia Institute of Technology e del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno descritto una famiglia di sette potenziali strutture di difetti che possono apparire in fogli di grafene ed esempi rappresentati del difetto a più bassa energia della famiglia.

I difetti possono sorgere per aiutare ad alleviare lo stress meccanico nella struttura a nido d'ape dell'atomo di carbonio del grafene, consentendo agli atomi di diffondersi e occupare un po' più spazio. Tale stress può sorgere durante la crescita del grafene o allungando il foglio di grafene.

“Per un ingegnere interessato alle proprietà meccaniche del grafene per creare membrane dello spessore di un atomo, ad esempio, sarebbe molto importante capire questo tipo di proprietà, che potrebbero dar luogo a deformazioni plastiche del materiale, "ha detto Filippo Primo, uno dei coautori del documento e professore alla Georgia Tech School of Physics. “Per esempio, può essere che questi difetti siano solo una parte del percorso cinetico verso il fallimento di un foglio di grafene teso”.

Per le applicazioni elettroniche, i difetti potrebbero deviare gli elettroni e causare la retrodiffusione che aumenterebbe la resistenza del materiale - come una roccia in un ruscello rallenta il flusso dell'acqua. Però, First afferma che le migliori tecniche di crescita sviluppate dall'inizio dello studio sui difetti potrebbero eliminare questo problema.

“Con le tecniche di crescita che ora sono state sviluppate utilizzando il carburo di silicio, di solito non vediamo questi difetti, ” ha osservato. "I difetti si verificano su materiale che sappiamo essere di qualità inferiore a causa delle condizioni di crescita o della preparazione del substrato".

I difetti possono apparire a causa del movimento degli atomi di carbonio ad alte temperature, ha spiegato il collega del NIST Joseph Stroscio. I riarrangiamenti del grafene che richiedono la minor quantità di energia comportano il passaggio dagli anelli di carbonio standard a sei membri a strutture contenenti cinque o sette atomi. I ricercatori del NIST hanno scoperto che l'unione di anelli a cinque e sette membri in anelli chiusi crea un nuovo tipo di difetto o anello di confine del grano nel reticolo a nido d'ape.

Secondo il ricercatore del NIST Eric Cockayne, il processo di fabbricazione gioca un ruolo importante nella creazione dei difetti.

“Poiché il grafene si forma ad alte temperature, sezioni del reticolo possono staccarsi e ruotare, ” ha detto. “Mentre il grafene si raffredda, queste sezioni ruotate si ricollegano al reticolo, ma in modo irregolare. È quasi come se le chiazze di grafene fossero state ritagliate con le forbici, girato in senso orario, e fatto per adattarsi di nuovo nello stesso posto. Solo che davvero non si adatta, ecco perché otteniamo questi fiori”.

Finora, solo il difetto del fiore, che è composto da sei paia di anelli a cinque e sette atomi, è stato osservato. La modellazione della struttura atomica del grafene da parte del team del NIST suggerisce che potrebbe esserci un vero e proprio bouquet di configurazioni simili a fiori. Queste configurazioni – sette in tutto – possederebbero ciascuna le proprie proprietà meccaniche ed elettriche uniche, disse Cockayne.

Le prime speranze che il team possa continuare a studiare i difetti, sia per sapere se la loro formazione può essere controllata, sia per chiarire il ruolo dei difetti nelle proprietà meccaniche del materiale.

“Il grafene è forte e leggero, quindi le proprietà meccaniche sono di grande interesse, ” ha osservato. “Capire come si fa a pezzi è una domanda interessante che ha importanti implicazioni. Ma anche con questi difetti, il grafene è ancora straordinariamente forte”.