I modelli strutturali di "anelli di cipolla" esagonali di grafene mostrano uno strato di grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, in cima a una serie di nanonastri concentrici. I nastri crescono per deposizione chimica da vapore in alta pressione, atmosfera ricca di idrogeno. Credito:Yuanyue Liu/Rice University
Gli esagoni concentrici di grafene coltivato in una fornace alla Rice University rappresentano la prima volta che qualcuno ha sintetizzato nanonastri di grafene su metallo dal basso verso l'alto, atomo per atomo.
Visto al microscopio, gli strati facevano venire in mente le cipolle, disse il chimico del riso James Tour, fino a quando un collega ha suggerito che il grafene piatto non avrebbe mai potuto essere come una cipolla.
"Così ho detto, 'OK, questi sono anelli di cipolla, '" Tour scherzato.
Il nome è rimasto, e gli straordinari anelli che i chimici si meravigliavano fossero persino possibili sono descritti in un nuovo articolo nel Giornale della Società Chimica Americana .
La sfida era capire come potesse crescere una cosa del genere, Tour ha detto. Generalmente, il grafene cresciuto in una fornace calda mediante deposizione chimica da vapore inizia su un seme:un granello di polvere o una protuberanza su una superficie di rame o di altro metallo. Un atomo di carbonio si attacca al seme in un processo chiamato nucleazione e altri seguono per formare la familiare griglia di rete metallica.
Gli esperimenti nel laboratorio di Tour per vedere come il grafene cresce ad alta pressione e in un ambiente ricco di idrogeno hanno prodotto i primi anelli. In quelle condizioni, Tour, Il fisico teorico di Rice Boris Yakobson e i loro team hanno scoperto che l'intero bordo di un foglio di grafene in rapida crescita diventa un sito di nucleazione quando idrogenato. Il bordo consente agli atomi di carbonio di penetrare sotto la pelle di grafene, dove iniziano un nuovo foglio.
Ma poiché il grafene superiore cresce così velocemente, alla fine interrompe il flusso di atomi di carbonio verso il nuovo foglio sottostante. Il fondo smette di crescere, lasciando un anello di grafene. Quindi il processo si ripete.
Un'immagine al microscopio elettronico di "anelli di cipolla" di grafene mostra il concentrico, nastri scuri attraverso il foglio di grafene sovrastante. I nastri seguono la forma del foglio di grafene in crescita, che assume la forma di un esagono. Credito:Tour Group/Rice University
"Il meccanismo si basa su quello strato superiore per impedire al carbonio di raggiungere il fondo così facilmente, "Ha detto Tour. "Ciò che otteniamo sono un multiplo di singoli cristalli che crescono uno sopra l'altro".
Il laboratorio Tour ha aperto la strada alla produzione in serie di nanonastri di grafene dello spessore di un singolo atomo nel 2009 con la scoperta che i nanotubi di carbonio potrebbero essere "decompressi" chimicamente in lunghi, fogli sottili. I nanoribboni sono in fase di studio per l'uso nelle batterie e nell'elettronica avanzata e come dissipatori di calore.
"Di solito fai un nastro prendendo una cosa grande e tagliandola, " disse Tour. "Ma se riesci a far crescere un nastro dal basso verso l'alto, potresti avere il controllo dei bordi." La configurazione atomica al bordo aiuta a determinare le proprietà elettriche del grafene. I bordi degli anelli di cipolla esagonali di grafene sono zigzag, che rendono gli anelli metallici.
"La grande novità qui, " Egli ha detto, "è che possiamo cambiare le pressioni relative dell'ambiente di crescita dell'idrogeno rispetto al carbonio e ottenere strutture completamente nuove. Questo è drammaticamente diverso dal normale grafene".
Studente laureato Zheng Yan, un membro del laboratorio di Tour e autore principale del documento, ha scoperto il nuovo percorso verso i nanonastri mentre sperimentava la crescita del grafene sotto l'idrogeno pressurizzato a vari gradi. Il punto debole per gli anelli era a 500 Torr, Egli ha detto.
Ulteriori test hanno trovato gli anelli microscopici formati sotto e non sopra il foglio, e il laboratorio di Yakobson ha confermato il meccanismo di crescita attraverso i calcoli del primo principio. Yan ha anche determinato che il foglio superiore di grafene potrebbe essere rimosso con plasma di argon, lasciando anelli autonomi.
La larghezza degli anelli, che variava da 10 a 450 nanometri, influenza anche le loro proprietà elettroniche, quindi trovare un modo per controllarlo sarà un obiettivo della ricerca continua, Tour ha detto. "Se riusciamo a realizzare costantemente nastri da 10 nanometri, possiamo iniziare a portarli e trasformarli in transistor a bassa tensione, " ha detto. Potrebbero anche essere adatti per lo stoccaggio di litio per batterie agli ioni di litio avanzate, Egli ha detto.
