(Phys.org) - Scienziati e ingegneri dell'Università del Wisconsin-Milwaukee (UWM) hanno scoperto un materiale completamente nuovo a base di carbonio che viene sintetizzato dal "capretto delle meraviglie" della famiglia del carbonio, grafene. La scoperta, che i ricercatori chiamano “monossido di grafene (OGM), ” spinge i materiali in carbonio più vicini all'introduzione dell'elettronica di prossima generazione.

Grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo che assomiglia a un foglio piatto di rete metallica su scala nanometrica, ha il potenziale per rivoluzionare l'elettronica perché conduce l'elettricità molto meglio dei fili d'oro e di rame utilizzati nei dispositivi attuali. I transistor in silicio si stanno avvicinando alla dimensione minima alla quale possono essere efficaci, il che significa che la velocità dei dispositivi scenderà presto. I materiali di carbonio su scala nanometrica potrebbero essere il rimedio.

Attualmente, le applicazioni per il grafene sono limitate perché è troppo costoso da produrre in serie. Un altro problema è che, fino ad ora, i materiali correlati al grafene esistevano solo come conduttori o isolanti.

“Un importante impulso nella comunità di ricerca sul grafene è rendere il materiale semiconduttore in modo che possa essere utilizzato in applicazioni elettroniche, "dice Junhong Chen, professore di ingegneria meccanica e membro del gruppo di ricerca. "Il nostro principale contributo in questo studio è stato ottenuto attraverso una modifica chimica del grafene".

L'OGM presenta caratteristiche che lo renderanno più facile da scalare rispetto al grafene. E, come il silicio nell'attuale generazione di elettronica, Gli OGM sono semiconduttori, necessario per controllare la corrente elettrica in un conduttore così forte come il grafene. Ora tutte e tre le caratteristiche della conduttività elettrica:conduzione, isolanti e semiconduttori – si trovano nella famiglia del carbonio, offrendo la compatibilità necessaria per l'uso nell'elettronica futura.

Teoria della miscelazione ed esperimenti

Il team ha creato gli OGM mentre conduceva ricerche sul comportamento di un nanomateriale ibrido progettato da Chen che consiste di nanotubi di carbonio (essenzialmente, grafene arrotolato in un cilindro) decorato con nanoparticelle di ossido di stagno. Chen usa il suo materiale ibrido per realizzare alte prestazioni, sensori efficienti dal punto di vista energetico e poco costosi.

Per immaginare il materiale ibrido mentre lo percepiva, lui e la professoressa di fisica Marija Gajdardziska hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM). Ma per spiegare cosa stava succedendo, la coppia aveva bisogno di sapere quali molecole si stavano attaccando alla superficie del nanotubo, che si attaccavano alla superficie dell'ossido di stagno, e come sono cambiati dopo l'attaccamento.

Quindi la coppia si è rivolta alla professoressa di fisica Carol Hirschmugl, che recentemente ha aperto la strada a un metodo di imaging a infrarossi (IR) che non solo offre immagini ad alta definizione di campioni, ma rende anche una "firma" chimica che identifica quali atomi interagiscono quando si verifica il rilevamento.

Chen e Gajdardziska sapevano che avrebbero dovuto esaminare più siti di attacco di quelli disponibili sulla superficie di un nanotubo di carbonio. Quindi hanno "srotolato" il nanotubo in un foglio di grafene per ottenere un'area più ampia.

Ciò li ha spinti a cercare modi per produrre grafene da suo cugino, ossido di grafene (GO), un isolante che può essere scalato a buon mercato. GO è costituito da strati di grafene impilati uno sopra l'altro con un orientamento non allineato. È oggetto di molte ricerche poiché gli scienziati cercano modi più economici per replicare le proprietà superiori del grafene.

Risultato sconcertante

In un esperimento, hanno riscaldato il GO nel vuoto per ridurre l'ossigeno. Invece di essere distrutto, però, gli atomi di carbonio e ossigeno negli strati di GO si sono allineati, trasformandosi negli “ordinati, ” semiconduttore OGM – un ossido di carbonio che non esiste in natura.

Non era il risultato che si aspettavano.

"Pensavamo che l'ossigeno sarebbe andato via e avrebbe lasciato il grafene multistrato, quindi l'osservazione di qualcosa di diverso da quello è stata una sorpresa, "dice Eric Mattson, uno studente di dottorato di Hirschmugl.

A diverse temperature elevate, il team ha effettivamente prodotto quattro nuovi materiali che collettivamente chiamano OGM. Hanno catturato il video del processo utilizzando la diffrazione elettronica ad area selezionata (SAED) in un microscopio elettronico a trasmissione.

Poiché l'OGM si forma in fogli singoli, Gajdardziska afferma che il materiale potrebbe avere applicazioni in prodotti che comportano catalisi superficiale. Lei, Hirschmugl e Chen stanno anche esplorando il suo utilizzo nelle parti anodiche delle batterie agli ioni di litio, che potrebbe renderli più efficienti.

Processo laborioso

Ma il passo successivo è più scienza. Il team dovrà scoprire cosa ha innescato la riorganizzazione del materiale, e anche quali condizioni rovinerebbero la formazione dell'OGM.

“Nel processo di riduzione, ti aspetti di perdere ossigeno, "dice Michael Weinert, professore di fisica e direttore del Laboratorio di studi sulle superfici dell'UWM. “Ma in realtà abbiamo guadagnato più contenuto di ossigeno. Quindi siamo a un punto in cui stiamo ancora imparando di più a riguardo".

Weinert sottolinea che hanno prodotto OGM solo su piccola scala in un laboratorio e non sono sicuri di cosa incontreranno nel ridimensionarlo.

Il team ha dovuto fare attenzione nel calcolare come gli elettroni scorrevano attraverso gli OGM, Aggiunge. Le interazioni che si verificano dovevano essere interpretate attraverso un processo meticoloso di monitoraggio degli indicatori di struttura e quindi di eliminazione di quelli che non si adattavano.

“È stato un processo lungo, "dice Weinert, "non uno di quei momenti 'Eureka!'."