La ricerca della Rice University e dell'Università della California a Berkeley potrebbe dare alla scienza e all'industria un nuovo modo per manipolare il grafene, il materiale meraviglioso che dovrebbe svolgere un ruolo nell'elettronica avanzata, applicazioni meccaniche e termiche.

Quando il grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, si strappa sotto stress, lo fa in un modo unico che ha lasciato perplessi gli scienziati che per primi hanno osservato il fenomeno. Invece di strappare a caso come farebbe un pezzo di carta, cerca il percorso di minor resistenza e crea nuovi bordi che conferiscono al materiale qualità desiderabili.

Poiché i bordi del grafene determinano le sue proprietà elettriche, trovare un modo per controllarli sarà significativo, disse Boris Yakobson, Karl F. Hasselmann di Rice, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e professore di chimica.

È raro che il lavoro di Yakobson come fisico teorico appaia nello stesso articolo con prove sperimentali, ma la recente presentazione in Nano lettere intitolato "Ripping Graphene:Preferred Directions" è una notevole eccezione, Egli ha detto.

Yakobson e Vasilij Artyukhov, un ricercatore post-dottorato alla Rice, ricreato in simulazioni al computer il tipo di strappo osservato attraverso un microscopio elettronico dai ricercatori di Berkeley.

Il team della California ha notato che le crepe nei fiocchi di grafene seguivano le configurazioni a poltrona o a zigzag, termini che si riferiscono alla forma dei bordi creati. Sembrava che le forze molecolari dettassero il modo in cui il grafene gestisce lo stress.

Quelle forze sono robuste. I legami carbonio-carbonio sono i più forti conosciuti dall'uomo. Ma l'importanza di questa ricerca, Yakobson ha detto, sta nella natura del bordo che risulta dallo strappo. Il bordo di un foglio di grafene gli conferisce particolari qualità, soprattutto nel modo in cui gestisce la corrente elettrica. Il grafene è così conduttivo che la corrente scorre dritta senza impedimenti, fino a raggiungere il bordo. Quello che ci trova la corrente fa una grande differenza, Egli ha detto, nel fatto che si fermi nelle sue tracce o fluisca verso un elettrodo o un altro foglio di grafene.

"Edge energy" nel grafene e nei nanotubi di carbonio è stato a lungo di interesse per Yakobson, che l'anno scorso ha pubblicato un documento con una formula per definire l'energia di un pezzo di grafene tagliato con qualsiasi angolazione. Nel carbonio molecolare, i bordi a poltrona e a zigzag sono i più desiderabili perché gli atomi lungo il bordo sono distanziati a intervalli regolari e le loro proprietà elettriche sono ben note:il grafene a zigzag è metallico, e il grafene da poltrona è semiconduttore. Capire come strappare il grafene per i nanonastri con bordi che sono tutti di un tipo o dell'altro sarebbe una svolta per i produttori.

Yakobson e il suo team hanno stabilito che il grafene cerca il percorso più efficiente dal punto di vista energetico. Il team di Berkeley ha notato che più crepe in una scaglia di grafene scorrevano rigorosamente lungo linee che erano a (oa multipli di) 30 gradi l'una dall'altra.

"Il grafene preferisce strappare spendendo la minor quantità di energia, Ha detto Yakobson. Ha notato la separazione di 30 gradi tra gli angoli che differenziano zigzag e poltrona in un reticolo esagonale di grafene.

Per dimostrarlo, Artyukhov ha trascorso due mesi a costruire simulazioni molecolari che separavano frammenti virtuali di grafene in vari modi. A seconda della forza applicata, un fiocco si lacera lungo una linea retta o si biforca in due direzioni. Ma i bordi prodotti sarebbero sempre lungo linee di 30 gradi e sarebbero a zigzag oa poltrona.

"Fondamentalmente, la direzione della cricca nella teoria della frattura classica è determinata dal percorso che potrebbe prendere con il minimo costo in energia, " ha detto Artyukhov. "Le mie simulazioni hanno mostrato che in alcune condizioni, questo potrebbe essere il caso del grafene. Ha fornito una spiegazione abbastanza ragionevole, chiara e solida per questa insolita cosa sperimentale".

Artyukhov ha scoperto che tirare troppo forte il grafene virtuale lo avrebbe frantumato. "Il nostro sforzo principale è stato quello di tirarlo abbastanza delicatamente da avere il tempo di scegliere la direzione che preferirebbe, piuttosto che avere un fallimento completo." Ha notato che le simulazioni erano molto più veloci degli strappi che si sarebbero verificati in circostanze del mondo reale.

Sorprendente è stata anche la scoperta che gli strappi nel grafene attraverso i bordi dei grani seguono le stesse regole. Le lacrime non seguono il confine, che creerebbe bordi energeticamente sfavorevoli, ma passare e passare nella direzione più favorevole nel nuovo grano.

"La gente di Berkeley non ha fatto lacrime controllabili, ma il loro lavoro apre possibilità tecnologiche per il futuro, " Yakobson ha detto. "Per l'elettronica, vuoi nastri che vadano in una direzione particolare, e questa ricerca suggerisce che questo è possibile. Sarebbe un grosso problema.

"Pensa al grafene come a un foglio di francobolli:applichi un carico, e puoi strappare il foglio in una direzione ben definita. Questo è fondamentalmente ciò che questo esperimento rivela per il grafene, " ha detto. "Ci sono direzioni invisibili preparate per te."