(Phys.org)—Come piccole navi che trovano un porto in una tempesta, gli atomi di carbonio si agganciano in modo prevedibile all'isola maggiore del grafene. Ma fino alle recenti ricerche degli scienziati della Rice University, nessuno aveva gli strumenti per fare quel tipo di previsione.

La corrente elettrica viene proiettata direttamente su un foglio di grafene privo di difetti quasi senza resistenza, una caratteristica che rende il materiale molto attraente per gli ingegneri che lo userebbero in cose come touchscreen e altri dispositivi elettronici, ha detto il fisico teorico di Rice Boris Yakobson. È coautore di un nuovo articolo sulla formazione del grafene che apparirà questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Per esaminare esattamente cosa succede a livello atomico, Yakobson e i suoi colleghi della Rice hanno esaminato da vicino l'ormai comune processo chiamato deposizione chimica da vapore (CVD), in cui una fonte di carbonio riscaldata in una fornace è esposta a un catalizzatore metallico per formare grafene, uno strato di carbonio puro a un solo atomo.

Yakobson, Karl F. Hasselmann di Rice, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e professore di chimica, e i suoi colleghi hanno calcolato le energie dei singoli atomi mentre si accumulano per formare il grafene al molo del "nanoreattore" dove si incontrano il vapore di carbonio e il catalizzatore. Con l'aiuto di teorie a lungo applicate alla crescita dei cristalli, hanno stabilito che, all'equilibrio, alcuni modelli di grafene hanno maggiori probabilità di formarsi rispetto ad altri a seconda del catalizzatore utilizzato.

Un intoppo è stato che il bordo di un foglio di grafene determina come, o anche se, la corrente può procedere a un elettrodo. Anche i bordi dei grani, le transizioni negli angoli degli esagoni che appaiono quando le isole di grafene si fondono durante la crescita, possono far deragliare gli elettroni. Yakobson ha detto che questi bordi e confini determinano l'elettronica complessiva del foglio, proprietà meccaniche e magnetiche, quindi conoscere le condizioni in cui il grafene favorirebbe bordi che assomigliano a zigzag o poltrone, o qualche angolo intermedio, è importante per i ricercatori che vogliono coltivare il materiale da utilizzare nei componenti elettronici.

Yakobson e i suoi coautori, ricercatore associato Vasilii Artyukhov e studente laureato Yuanyue Liu, hanno attinto alla loro conoscenza della crescita dei cristalli per la loro teoria dei nanoreattori. Presentano un modello completo di come gli atomi migrano dalla materia prima, di solito una nebbia ricca di carbonio in un forno CVD (e talvolta, notoriamente, un biscotto) – al catalizzatore e infine al reticolo di grafene.

"Grazie ai talenti e agli sforzi dei chimici dei materiali, il grafene ora cresce come muffa su quasi tutto, e da quasi tutte le materie prime, " Yakobson ha detto. "Ma come appare e la forma che prende è difficile da capire o prevedere.

"Se versi un po' d'acqua su un piatto, tavolo orizzontale, formerà una piccola pozzanghera di forma circolare, perché l'acqua è isotropa - tutte le direzioni sono identiche, e un cerchio ha il perimetro più piccolo e quindi la forma a più bassa energia, " Egli ha detto.

Ma su scala nanometrica, gli atomi di carbonio non si comportano sempre come l'acqua. "Quando il carbonio viene 'versato' sul metallo, le cose si complicano, " ha detto. "Direzioni diverse dettano proprietà fisiche diverse, e come risultato, la forma del grafene può essere un poligono, una stella o un fiore."

Sembra il modo in cui un cristallo cresce, una proprietà non persa per i ricercatori.

"Nonostante l'enorme quantità di ricerche condotte sul grafene in tutto il mondo, quasi nessuno finora ha trattato la sintesi del grafene come un processo di crescita dei cristalli e ha sfruttato il ricco set di strumenti teorici sviluppato a metà del 20 ° secolo per la tecnologia dei semiconduttori, " ha detto Artyukhov. "La teoria della crescita dei cristalli è un vasto e consolidato campo della scienza, e ci sono molti altri concetti che possono essere applicati alla sintesi del grafene oltre i primi passi delineati nel nostro lavoro".

La forma definitiva del grafene dipende dalla sottile interazione di energie e dalla velocità di crescita. Come l'acqua, gli atomi prendono il percorso di minor resistenza, e quel percorso può cambiare a causa di lievi variazioni di temperatura e variazioni nella densità del vapore di carbonio.

"Poiché il carbonio viene aggiunto nella crescita CVD, lati diversi avanzano con velocità diverse, " ha detto Yakobson.

Il team ha utilizzato la teoria del funzionale della densità per calcolare la formazione di grafene per tutti i possibili orientamenti dei bordi su vari catalizzatori, compreso il nichel, ferro da stiro, rame e cobalto. Hanno scoperto che i livelli energetici degli atomi possono essere mappati, passo dopo passo, mentre lasciano il vapore e si uniscono al reticolo in un nanoreattore.

Un foglio di grafene inizia a formarsi quando i primi atomi di carbonio si attaccano al catalizzatore e stabiliscono un nucleo attorno al quale gli atomi continuano a stabilirsi. Il grafene cresce in righe man mano che vengono aggiunti nuovi atomi, ma le righe non hanno bordi dritti. Alcuni hanno un motivo a zigzag, altri formano una forma più complessa che gli scienziati chiamano poltrona. La forma del motivo del bordo è dettata dall'uso più efficiente dell'energia. Il team di Rice ha scoperto che i bordi a zigzag affrontano una barriera ad alta energia all'inizio di una nuova fila, ma il resto degli atomi della riga si allineano rapidamente e facilmente. Per poltrone, la barriera iniziale è più piccola ma rimane la stessa per ogni atomo successivo che attracca.

I bordi inclinati – tra lo zigzag e la poltrona – crescono più velocemente di tutti, perché hanno la più piccola barriera energetica da superare per iniziare o completare una riga, ha detto Liu. Interessante anche, Egli ha detto, è la scoperta che il vapore di carbonio con coppie di atomi chiamate dimeri potrebbe indurre una crescita del grafene più rapida e di migliore qualità.

I ricercatori hanno scoperto che i bordi a zigzag in ritardo sono un collo di bottiglia che, indipendente dal substrato metallico, aiuta a determinare la forma complessiva di una fioritura di grafene. Anche altri fattori cinetici possono portare a variazioni che producono stelle, fiori o forme asimmetriche.

I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che i bordi delle poltrone a pentagono aperto sono il modello di crescita più probabile in equilibrio su ferro, cobalto e nichel, mentre i bordi a zigzag erano particolarmente pronunciati su un catalizzatore di rame. Hanno anche trovato prove matematiche che certi difetti, in cui coppie di poligoni a cinque e sette atomi sostituiscono gli esagoni adiacenti, è improbabile che si formino se non nel vuoto, uno scenario irrealistico per la crescita del grafene. Ciò mette la nuova teoria in linea con il precedente lavoro di Yakobson per mostrare come si formino difetti improbabili quando si coltivano nanotubi di carbonio.

Yakobson ha affermato che la teoria avanza su uno che la comunità della crescita del carbonio considera canonico, il paradigma vapore-liquido-solido, arrivando fino ai minimi dettagli.