L'interesse per il carbonio e il suo utilizzo nelle nuove tecnologie è molto alto in questo momento. Un sacco di ricerca e sviluppo commerciale e accademico stanno per realizzare sistemi di dimensioni nanometriche. Negli ultimi anni questi tipi di sistemi a base di carbonio hanno prodotto una gamma di potenziali proprietà di valore commerciale che includono superlubrificazione, con attrito trascurabile tra fogli di grafema e superfici di grafite, mentre la super-diffusione è stata osservata anche all'interno di simulazioni di nano-cluster d'oro adsorbiti su grafene.

Un'area particolarmente promettente è lo sviluppo di motori molecolari sintetici a base di carbonio, equivalenti artificiali di motori a base di proteine ​​trovati nel corpo che alimentano processi critici come il traffico intracellulare e la divisione cellulare. Attualmente limitato al laboratorio, il potenziale uso più ampio di questi motori su scala molecolare è oggi limitato dalla mancanza di comprensione della fisica superficiale e della chimica dei sistemi di carbonio su microscala. Questo sta frenando i progressi su parti chiave del motore, ad esempio nello sviluppo di superfici che scorrono l'una sull'altra senza alcuna resistenza o usura.

"Attualmente gran parte della ricerca e sviluppo in questi sistemi di carbonio viene eseguita tramite chimica sperimentale su base di tentativi ed errori piuttosto che progettando questi sistemi di carbonio dai primi principi, afferma il ricercatore ILL Dr Peter Fouquet, che ha condotto lo studio. "Questa situazione è stata difficile da risolvere poiché il livello di analisi richiesto per fare previsioni accurate delle proprietà e della dinamica del sistema è piuttosto impegnativo e, di conseguenza, molti dei meccanismi della letteratura non sono corretti".

Per migliorare la nostra comprensione di questi sistemi, Il dottor Fouquet e il suo team hanno lavorato su un sistema di carbonio relativamente semplice, il benzene, per studiarne il movimento su una superficie. Nel 2009 il dottor Fouquet, insieme ai colleghi dell'Università di Cambridge ha pubblicato un articolo che mostra che il movimento del benzene può essere descritto da un tipo di movimento superficiale identificato per la prima volta da Albert Einstein, chiamata diffusione Browniana. Si riferisce al movimento casuale di particelle sospese in un fluido, liquido o un gas risultante dalla loro collisione con gli atomi o le molecole veloci nel gas o liquido.

Nel loro ultimo studio, il dottor Fouquet e il suo team hanno studiato in modo più dettagliato l'origine di questo movimento e come è influenzato dall'alterazione della temperatura del sistema tra 60K e oltre 140K, così come i cambiamenti nella densità molecolare. Per eseguire la loro analisi, il dott. Fouquet e i suoi colleghi hanno utilizzato lo spettrometro TOF IN6 e lo spettrometro NSE IN11 presso l'Institut Laue-Langevin (ILL) e lo spettrometro a diffusione posteriore OSIRIS presso la sorgente di neutroni ISIS, che, una volta combinati, ha permesso al team di creare un modello 2D dettagliato del sistema. "Il vantaggio dello scattering di neutroni è che si ottengono informazioni sugli scambi energetici e sui profili temporali nello stesso tempo in cui si ottengono informazioni sulla scala delle lunghezze su cui ciò avviene, "dice il dottor Fouquet.

Contrariamente a quanto visto prima, l'analisi ha rivelato che la velocità di diffusione è diminuita sostanzialmente quando abbiamo aumentato la densità delle particelle, mostrando che la diffusione era quasi come in un liquido teoricamente ideale dove il rallentamento si verifica solo in caso di collisione tra le particelle. Il team ha anche trovato la prima prova di una conversione al comportamento super-diffusore (diffusione con attrito trascurabile) alle densità di benzene più basse.

"Questo lavoro ci ha fornito nuove intuizioni sulla natura della diffusione e sulle origini dell'attrito", dice il dottor Fouquet. "Il nuovo, una modellizzazione più accurata di questi processi aiuterà la ricerca di elementi costitutivi a basso attrito nella nanotecnologia, compresi quelli in carbonio. Da un punto di vista della fisica più fondamentale, quello che abbiamo creato qui, un sistema 2D a gas di doratura quasi perfetto, è anche un brillante sistema di test per studiare la semplice fisica delle particelle in collisione."