Lungi dall'essere un difetto, un filo tortuoso di anelli dispari al confine di due fogli di grafene ha qualità che possono rivelarsi preziose per i produttori, secondo gli scienziati della Rice University.

Grafene, la forma spessa di un atomo di carbonio, raramente appare come un reticolo perfetto di anelli a sei atomi simili a fili di pollo. Quando cresciuto tramite deposizione chimica da vapore, di solito consiste di "domini, " o fogli coltivati ​​separatamente che sbocciano verso l'esterno da catalizzatori caldi fino a quando non si incontrano.

dove si incontrano, le file regolari di atomi non sono necessariamente allineate, quindi devono adattarsi se vogliono formare un piano continuo di grafene. Tale aggiustamento appare come un confine di grano, con file irregolari di anelli a cinque e sette atomi che compensano la disparità angolare.

Il laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson aveva calcolato che gli anelli con sette atomi di carbonio possono essere punti deboli che riducono la leggendaria forza del grafene. Ma una nuova ricerca alla Rice mostra che i tortuosi confini del grano possono, in alcuni casi, indurire i cosiddetti fogli policristallini, quasi corrispondente alla forza del grafene incontaminato.

convenientemente, possono anche creare un "divario di trasporto elettronico considerevole, " o banda proibita, secondo la carta. Il grafene perfetto consente il trasporto balistico di elettricità, ma l'elettronica richiede materiali in grado di arrestare e avviare il flusso in modo controllabile. Questi sono noti come semiconduttori, e la capacità di controllare le caratteristiche dei semiconduttori nel grafene (e in altri materiali bidimensionali) è un obiettivo molto ricercato.

Nel nuovo lavoro, che appare in Materiali funzionali avanzati , Yakobson e il suo team guidato dal ricercatore post-dottorato Zhuhua Zhang hanno determinato che a determinate angolazioni, questi confini "sinuosi" alleviano lo stress che altrimenti indebolirebbe il foglio.

"Se lo stress lungo il confine fosse alleviato, la forza del grafene sarebbe migliorata, " ha detto Zhang. "Ma questo si applica solo ai bordi sinuosi del grano rispetto ai bordi dritti".

Yakobson e il suo team calcolano la resistenza meccanica dei bordi dei grani per determinare come si influenzano a vicenda:dove i bordi sono inclini a legarsi e dove è probabile che si rompano sotto sforzo di trazione. I bordi dei grani potrebbero ridurre al minimo l'energia di interfaccia tra i fogli formando coppie di anelli chiamate dislocazioni, dove un atomo si sposta da un anello di sei membri al suo vicino per formare unità connesse di cinque e sette atomi.

A volte gli angoli dei domini dettano confini tortuosi piuttosto che dritti. Zhang e i suoi coautori hanno simulato questi confini sinuosi per misurare la loro resistenza alla trazione e le proprietà di band-gap. Ha determinato che dove queste piccole sezioni sono periodiche, cioè, quando i loro modelli si ripetono lungo la lunghezza del confine, le loro qualità si applicano all'intero strato policristallino.

Sorprendentemente, una delle sue simulazioni di bordi sinuosi del grano energeticamente "preferiti" era una corrispondenza quasi perfetta per il confine asimmetrico che ha individuato in un articolo del 2011 sulla rivista Nature. L'immagine della microscopia elettronica a trasmissione a scansione ha mostrato una struttura atomica al confine del grano con una disposizione molto simile delle dislocazioni. Solo un paio di anelli su cento in vista era fuori posto, probabilmente a causa di una distorsione causata dall'irradiazione del fascio di elettroni del microscopio, ha detto Zhang.

Per sfruttare le previsioni del laboratorio di riso, gli scienziati dovrebbero capire come far crescere il grafene policristallino con un preciso disallineamento dei componenti. Questo è un compito arduo, ha detto Yakobson.

"Ma questo, finora, ipoteticamente, può essere ottenuto se il grafene nuclea sul substrato di metallo policristallino con orientamenti dei grani prescritti in modo che le isole di carbonio emergenti ereditino il disallineamento del modello sottostante, " ha detto Yakobson.