(Phys.org) — Fogli di diamante perfetti dello spessore di pochi atomi sembrano essere possibili anche senza la grande compressione che rende le gemme naturali.

Gli scienziati hanno speculato su di esso e alcuni laboratori hanno persino visto segni di ciò che chiamano diamane, un film di diamante estremamente sottile che possiede tutte le superiori proprietà semiconduttive e termiche del diamante.

Ora i ricercatori della Rice University e in Russia hanno calcolato un "diagramma di fase" per la creazione di diamane. Il diagramma è una mappa stradale. Stabilisce le condizioni:temperatura, pressione e altri fattori – che sarebbero necessari per trasformare fogli impilati di grafene in un reticolo di diamanti impeccabile.

Nel processo, i ricercatori hanno determinato che il diamane potrebbe essere prodotto completamente chimicamente, senza alcuna pressione, in alcune circostanze.

Il team guidato dal fisico teorico di Rice Boris Yakobson e Pavel Sorokin, un ex associato post-dottorato alla Rice e ora ricercatore senior presso l'Istituto tecnologico per i materiali di carbonio superduri e nuovi di Mosca, risultati riportati nella rivista American Chemical Society Nano lettere .

"Diamanes ha un ampio potenziale di applicazioni, " Sorokin ha detto. "Possono essere applicati come molto sottili, film dielettrici duri in nanocondensatori o meccanicamente rigidi, elementi nanospessi in nanoelettronica. Anche, diamanes hanno potenziale per l'applicazione in nano-ottica.

"La possibilità di ottenere un tale oggetto quasi bidimensionale è intrigante, ma i dati sperimentali disponibili impediscono l'aspettativa della sua fabbricazione utilizzando metodi tradizionali. Però, l'approccio 'bottom-up' proposto da Richard Feynman consente la fabbricazione di diamanes da oggetti più piccoli, come il grafene."

I ricercatori hanno costruito modelli al computer per simulare le forze applicate da ogni atomo coinvolto nel processo. Ciò include il grafene, la forma di carbonio spessa un solo atomo e una delle sostanze più forti dell'universo, così come l'idrogeno (o, alternativamente, un alogeno) che favorisce la reazione.

Condizioni, hanno imparato, deve essere perfetto per far collassare una piccola pila di frittelle di grafene in una matrice di diamante, o viceversa, tramite la chimica.

"Un diagramma di fase mostra quale fase domina lo stato fondamentale per ogni pressione e temperatura, " disse Yakobson. "Nel caso di diamane, il diagramma è insolito perché il risultato dipende anche dallo spessore, il numero di strati di grafene. Quindi abbiamo un nuovo parametro".

L'idrogeno non è l'unico catalizzatore possibile, Egli ha detto, ma è quello che hanno usato nei loro calcoli. "Quando l'idrogeno attacca, prende un elettrone da un atomo di carbonio nel grafene. Di conseguenza, un legame viene rotto e un altro elettrone viene lasciato sospeso dall'altra parte dello strato di grafene. Ora è libero di connettersi a un atomo di carbonio sul foglio adiacente con poca o nessuna pressione.

"Se hai più livelli, ottieni un effetto domino, dove l'idrogeno inizia una reazione sopra e si propaga attraverso il sistema di carbonio legato, " ha detto. "Una volta che si chiude completamente, la transizione di fase è completa e la struttura cristallina è quella del diamante."

Yakobson ha detto che il giornale non copre un possibile affare. "La conversione da una fase all'altra parte da un piccolo seme, un sito di nucleazione, e in questo processo c'è sempre quella che viene chiamata barriera di nucleazione. Non lo calcoliamo qui." Ha detto che il carbonio normalmente preferisce essere la grafite (la forma sfusa di carbonio usata come mina) piuttosto che il diamante, ma un'elevata barriera di nucleazione impedisce al diamante di effettuare la transizione.

"Termodinamicamente, un diamante esistente dovrebbe diventare grafite, ma non succede proprio per questo motivo, " Yakobson ha detto. "Quindi a volte è una buona cosa. Ma se vogliamo fare un diamante piatto, dobbiamo trovare il modo per aggirare questa barriera".

Ha detto che la fabbricazione del diamante sintetico, che è stato realizzato per la prima volta in modo affidabile negli anni '50, richiede pressioni molto elevate di circa 725, 000 libbre per pollice quadrato. I diamanti fabbricati vengono utilizzati negli utensili temprati per il taglio, come abrasivi e persino come gemme di alta qualità coltivate tramite tecniche che simulano le temperature e le pressioni che si trovano nelle profondità della Terra, dove viene forgiato il diamante naturale.

I film diamantati vengono anche realizzati di routine tramite deposizione chimica da vapore, "ma sono sempre di pessima qualità perché sono policristallini, " Yakobson ha detto. "Per scopi meccanici, come carta vetrata molto costosa, sono perfetti. Ma per l'elettronica avresti bisogno di alta qualità perché serva come semiconduttore con gap a banda larga."