In quella che divenne nota come la "tecnica dello scotch tape, " I ricercatori hanno estratto per la prima volta il grafene con un pezzo di adesivo nel 2004. Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, modello esagonale. Sembra filo di pollo.

Il grafene è un materiale meraviglioso. È cento volte migliore nel condurre l'elettricità rispetto al silicio. È più forte del diamante. E, a un solo atomo di spessore, è così sottile da essere essenzialmente un materiale bidimensionale. Una fisica così promettente ha reso il grafene la sostanza più studiata dell'ultimo decennio, in particolare nelle nanotecnologie. Nel 2010, i ricercatori che per primi lo hanno isolato hanno condiviso il premio Nobel.

Ancora, mentre il grafene è molte cose, non è piezoelettrico. La piezoelettricità è la proprietà di alcuni materiali di produrre carica elettrica quando piegati, schiacciato o attorcigliato. Forse ancora più importante, la piezoelettricità è reversibile. Quando viene applicato un campo elettrico, i materiali piezoelettrici cambiano forma, ottenendo un notevole livello di controllo ingegneristico.

I piezoelettrici hanno trovato applicazione in innumerevoli dispositivi di orologi, radio e ultrasuoni agli avviatori a pulsante su griglie a propano, ma questi usi richiedono tutti relativamente grandi, quantità tridimensionali di materiali piezoelettrici.

Ora, in un articolo pubblicato sulla rivista ACS Nano , due ingegneri dei materiali a Stanford hanno descritto come hanno ingegnerizzato i piezoelettrici in grafene, estendendo per la prima volta un controllo fisico così fine su scala nanometrica.

Straintronics

"Le deformazioni fisiche che possiamo creare sono direttamente proporzionali al campo elettrico applicato e questo rappresenta un modo fondamentalmente nuovo di controllare l'elettronica su scala nanometrica, " ha detto Evan Reed, capo del Materials Computation and Theory Group di Stanford e autore senior dello studio. "Questo fenomeno porta una nuova dimensione al concetto di 'straintronics' per il modo in cui il campo elettrico deforma - o deforma - il reticolo di carbonio, facendogli cambiare forma in modi prevedibili."

"Il grafene piezoelettrico potrebbe fornire un grado senza precedenti di elettricità, controllo ottico o meccanico per applicazioni che vanno dai touchscreen ai transistor su nanoscala, " ha detto Mitchell Ong, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Reed e primo autore dell'articolo.

Utilizzando una sofisticata applicazione di modellazione in esecuzione su supercomputer ad alte prestazioni, gli ingegneri hanno simulato la deposizione di atomi su un lato di un reticolo di grafene - un processo noto come drogaggio - e hanno misurato l'effetto piezoelettrico.

Hanno modellato il grafene drogato con litio, idrogeno, potassio e fluoro, così come combinazioni di idrogeno e fluoro e litio e fluoro su entrambi i lati del reticolo. Dopando solo un lato del grafene, o drogando entrambi i lati con atomi diversi, è la chiave del processo poiché rompe la perfetta simmetria fisica del grafene, che altrimenti annulla l'effetto piezoelettrico.

I risultati hanno sorpreso entrambi gli ingegneri.

"Pensavamo che l'effetto piezoelettrico fosse presente, ma relativamente piccolo. Ancora, siamo riusciti a raggiungere livelli piezoelettrici paragonabili ai tradizionali materiali tridimensionali, " ha detto Reed. "E 'stato piuttosto significativo."

Piezoelettricità di design

"Siamo stati ulteriormente in grado di mettere a punto l'effetto drogando il pattern del grafene, posizionando selettivamente gli atomi in sezioni specifiche e non in altre, " ha detto Ong. "La chiamiamo piezoelettricità di design perché ci permette di controllare strategicamente dove, quando e quanto il grafene viene deformato da un campo elettrico applicato con implicazioni promettenti per l'ingegneria".

Mentre i risultati nella creazione di grafene piezoelettrico sono incoraggianti, i ricercatori ritengono che la loro tecnica potrebbe essere ulteriormente utilizzata per progettare la piezoelettricità in nanotubi e altri nanomateriali con applicazioni che vanno dall'elettronica, fotonica, e dall'energy harvesting al rilevamento chimico e all'acustica ad alta frequenza.

"Stiamo già esaminando nuovi dispositivi piezoelettrici basati su altri materiali 2D e a bassa dimensione sperando che possano aprire nuove e straordinarie possibilità nella nanotecnologia, " ha detto Reed.