(Phys.org) —Un team di ricerca guidato da scienziati SLAC ha scoperto una potenziale nuova strada per produrre film sottili di diamante per una varietà di applicazioni industriali, dagli utensili da taglio ai dispositivi elettronici ai sensori elettrochimici.

Gli scienziati hanno aggiunto alcuni strati di grafene – fogli di grafite spessi un atomo – a un supporto metallico ed hanno esposto lo strato più in alto all'idrogeno. Con loro sorpresa, la reazione in superficie ha innescato un effetto domino che ha alterato la struttura di tutti gli strati di grafene da simile a grafite a simile a diamante.

"Forniamo la prima prova sperimentale che l'idrogenazione può indurre una tale transizione nel grafene, "dice Sarp Kaya, ricercatore presso il SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis e corrispondente autore del recente studio.

Dalla mina al diamante

Grafite e diamante sono due forme dello stesso elemento chimico, carbonio. Ancora, le loro proprietà non potrebbero essere più diverse. In grafite, gli atomi di carbonio sono disposti in fogli planari che possono facilmente scivolare l'uno contro l'altro. Questa struttura rende il materiale molto morbido e può essere utilizzato in prodotti come la mina.

nel diamante, d'altra parte, gli atomi di carbonio sono fortemente legati in tutte le direzioni; quindi il diamante è estremamente duro. Oltre alla resistenza meccanica, il suo straordinario impianto elettrico, le proprietà ottiche e chimiche contribuiscono al grande valore del diamante per le applicazioni industriali.

Gli scienziati vogliono comprendere e controllare la transizione strutturale tra le diverse forme di carbonio per trasformarle selettivamente l'una nell'altra. Un modo per trasformare la grafite in diamante è applicando pressione. Però, poiché la grafite è la forma più stabile di carbonio in condizioni normali, ci vogliono circa 150, 000 volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre per farlo.

Ora, un modo alternativo che funzioni su scala nanometrica è a portata di mano. "Il nostro studio mostra che l'idrogenazione del grafene potrebbe essere una nuova via per sintetizzare film ultrasottili simili a diamanti senza applicare pressione, " dice Kaya.

Effetto domino

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno caricato un supporto di platino con un massimo di quattro fogli di grafene e hanno aggiunto idrogeno allo strato più in alto. Con l'aiuto di intensi raggi X dalla sorgente di luce di radiazione di sincrotrone di Stanford di SLAC (SSRL, Beam Line 13-2) e calcoli teorici aggiuntivi eseguiti dal ricercatore SUNCAT Frank Abild-Pedersen, il team ha quindi determinato l'impatto dell'idrogeno sulla struttura a strati.

Hanno scoperto che il legame con l'idrogeno ha avviato un effetto domino, con cambiamenti strutturali che si propagano dalla superficie del campione attraverso tutti gli strati di carbonio sottostanti, trasformando la struttura iniziale simile alla grafite dei fogli di carbonio planari in una disposizione di atomi di carbonio che ricorda il diamante.

La scoperta è stata inaspettata. L'obiettivo originale dell'esperimento era vedere se l'aggiunta di idrogeno potesse alterare le proprietà del grafene in modo da renderlo utilizzabile nei transistor, l'elemento fondamentale dei dispositivi elettronici. Anziché, gli scienziati hanno scoperto che il legame dell'idrogeno porta alla formazione di legami chimici tra il grafene e il substrato di platino.

Si scopre che questi legami sono cruciali per l'effetto domino. "Affinché questo processo sia stabile, il substrato di platino deve legarsi allo strato di carbonio più vicino ad esso, " Spiega Kaya. "La capacità del platino di formare questi legami determina la stabilità complessiva della pellicola simile al diamante".

La ricerca futura esplorerà il pieno potenziale del grafene a pochi strati idrogenato per applicazioni nelle scienze dei materiali. Sarà particolarmente interessante determinare se i film simili al diamante possono essere coltivati ​​su altri substrati metallici, utilizzando grafene di vari spessori.