L'elettronica diventa sempre più piccola, flirtare con nuovi dispositivi su scala atomica. Però, molti scienziati prevedono che il restringimento della nostra tecnologia sta raggiungendo la fine. Senza un'alternativa alle tecnologie a base di silicio, la miniaturizzazione della nostra elettronica cesserà. Un'alternativa promettente è il grafene, il materiale più sottile che l'uomo conosca. Il grafene puro non è un semiconduttore, ma può essere modificato per mostrare un comportamento elettrico eccezionale. Trovare i migliori nanomateriali a base di grafene potrebbe inaugurare una nuova era della nanoelettronica, ottica, e spintronica (una tecnologia emergente che utilizza lo spin degli elettroni per memorizzare ed elaborare informazioni in un'elettronica eccezionalmente piccola).

Gli scienziati del Rensselaer Polytechnic Institute hanno utilizzato le capacità di uno dei supercomputer universitari più potenti del mondo, il Rensselaer Centre for Nanotechnology Innovations (CCNI), per scoprire le proprietà di una promettente forma di grafene, noto come nanowiggles di grafene. Quello che hanno scoperto è che i nanonastri di grafite possono essere segmentati in diverse strutture superficiali chiamate nanowiggles. Ognuna di queste strutture produce proprietà magnetiche e conduttive molto diverse. I risultati forniscono un progetto che gli scienziati possono utilizzare per scegliere letteralmente una nanostruttura di grafene che sia sintonizzata e personalizzata per un'attività o un dispositivo diverso. Il lavoro fornisce un'importante base di conoscenza su questi nanomateriali altamente utili.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica in un articolo intitolato "Emergenza di proprietà atipiche nei nanoribboni di grafene assemblati".

"I nanomateriali di grafene hanno molte proprietà interessanti, ma fino ad oggi è stato molto difficile costruire nanostrutture di grafene prive di difetti. Quindi queste nanostrutture difficili da riprodurre hanno creato una barriera quasi insormontabile tra innovazione e mercato, " ha detto Vincent Meunier, il professore di fisica delle costellazioni Gail e Jeffrey L. Kodosky '70, Tecnologie dell'informazione, e Imprenditorialità presso Rensselaer. "Il vantaggio dei nanowiggles di grafene è che possono essere prodotti facilmente e rapidamente in modo molto lungo e pulito". I nanowiggles sono stati scoperti solo di recente da un gruppo guidato da scienziati dell'EMPA, Svizzera. Questi particolari nanonastri sono formati utilizzando un approccio dal basso verso l'alto, poiché sono chimicamente assemblati atomo per atomo. Questo rappresenta un approccio molto diverso al processo di progettazione del materiale standard in grafene che prende un materiale esistente e tenta di tagliarlo in una nuova struttura. Il processo spesso crea un materiale non perfettamente dritto, ma ha piccoli zigzag sui bordi.

Meunier e il suo team di ricerca hanno visto il potenziale di questo nuovo materiale. I nanowiggles potrebbero essere facilmente fabbricati e modificati per mostrare eccezionali proprietà conduttive elettriche. Meunier e il suo team si sono immediatamente messi al lavoro per sezionare i nanowiggle per comprendere meglio le possibili applicazioni future.

"Ciò che abbiamo trovato nella nostra analisi delle proprietà dei nanowiggles è stato ancora più sorprendente di quanto si pensasse in precedenza, " disse Meunier.

Gli scienziati hanno utilizzato l'analisi computazionale per studiare diverse strutture nanowiggle. Le strutture sono denominate in base alla forma dei loro bordi e comprendono poltrona, poltrona/zigzag, zigzag, e zigzag/poltrona. Tutte le strutture del bordo del nanonastro hanno un aspetto sinuoso come un bruco che si muove lentamente su una foglia. Meunier ha chiamato le quattro strutture nanowiggles e ogni oscillazione ha prodotto proprietà eccezionalmente diverse.

Hanno scoperto che i diversi nanowiggle producevano band gap molto vari. Una banda proibita determina i livelli di conduttività elettrica di un materiale solido. Hanno anche scoperto che diversi nanowiggle hanno mostrato fino a cinque proprietà magnetiche molto diverse. Con questa conoscenza, gli scienziati saranno in grado di mettere a punto il bandgap e le proprietà magnetiche di una nanostruttura in base alla loro applicazione, secondo Meunier.

Meunier vorrebbe che la ricerca informasse la progettazione di dispositivi nuovi e migliori. "Abbiamo creato una tabella di marcia che può consentire di costruire e personalizzare facilmente i nanomateriali per applicazioni dal fotovoltaico ai semiconduttori e, importante, spintronica, " Egli ha detto.

Utilizzando CCNI, Meunier è stato in grado di completare questi calcoli sofisticati in pochi mesi.

"Senza CCNI, questi calcoli sarebbero ancora in corso un anno dopo e non avremmo ancora fatto questa entusiasmante scoperta. Chiaramente questa ricerca è un eccellente esempio che illustra il ruolo chiave della CCNI nella scienza fondamentale predittiva, " Egli ha detto.