(Phys.org)—Gli scienziati hanno proposto una nuova famiglia di strutture che sono variazioni tridimensionali (3D) del grafene, il cui esempio più semplice è chiamato "iper-nido d'ape". Se le strutture proposte possono essere realizzate sperimentalmente, i nuovi modi di disporre gli atomi di carbonio si aggiungerebbero al numero sempre crescente di nuovi allotropi di carbonio. Gli scienziati prevedono anche che, tra le sue interessanti proprietà, l'iper-nido d'ape potrebbe potenzialmente essere ancora più stabile del diamante.

Gli scienziati, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, e Daniel T. Glatzhofer dell'Università dell'Oklahoma, hanno pubblicato un articolo sull'iper-nido d'ape proposto e sulle strutture correlate in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

Il grafene è spesso descritto come avente una struttura a nido d'ape o a filo di pollo perché è costituito da atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale spesso a strato singolo. In questa struttura 2D, ogni atomo di carbonio è connesso ad altri tre atomi di carbonio. La risultante "connettività planare trigonale" contribuisce alle proprietà uniche del grafene, in particolare le sue proprietà elettriche che lo rendono un ottimo semiconduttore.

Come spiegano gli scienziati, la connettività trigonale del grafene produce qualcosa di insolito:fa sì che l'energia di un elettrone vari linearmente con la quantità di moto, che fa sì che gli elettroni mimino il comportamento degli elettroni che si muovono vicino alla velocità della luce. I valori dei momenti in corrispondenza dei quali si verifica questo comportamento sono chiamati "punti di Dirac" dall'equazione di Dirac che descrive gli elettroni relativistici. La maggior parte delle strutture materiali, carbonio o altro, non contengono punti Dirac. Questo comportamento lineare influenza fortemente il comportamento degli elettroni, influenzando la loro diffusione e le loro interazioni con le vibrazioni nel reticolo.

Qui, gli scienziati hanno studiato cosa succede quando i punti di Dirac in una struttura trigonale planare a base di carbonio vengono estesi nello spazio tridimensionale per formare anelli di Dirac. I loop di Dirac non sono così ben compresi come i punti di Dirac perché, a differenza dei punti di Dirac che condividono somiglianze con gli elettroni relativistici, I loop di Dirac non hanno un analogo relativistico. Ad oggi, I loop di Dirac non sono mai stati osservati sperimentalmente, e si prevede che esistano solo in pochi materiali finemente sintonizzati.

L'analisi degli scienziati ha rivelato che i loop di Dirac possono teoricamente formarsi quando catene di atomi di carbonio collegati trigonalmente sono impilati perpendicolarmente l'uno all'altro. Questa disposizione differisce dalla grafite, che è anche una forma 3D di grafene, ma nella grafite gli strati di grafene sono impilati uno sopra l'altro come una risma di carta.

Le catene impilate perpendicolari proposte potrebbero avere molte dimensioni diverse a causa delle diverse possibili combinazioni di esagoni a nido d'ape verticali e orizzontali nella cella elementare di ciascuna catena. Per esempio, l'esempio più semplice, l'iper-nido d'ape, consiste di soli due atomi di carbonio in ciascuna catena verticale e orizzontale. Con i suoi strati verticali e orizzontali, il reticolo iper-a nido d'ape ricorda in qualche modo gli scaffali di una minuscola libreria a due lati.

"Il significato del nostro lavoro è duplice, "Mullen ha detto Phys.org . "Primo, questo è il primo sistema semplice per visualizzare i loop di Dirac. I loop di Dirac sono un comportamento non ancora visto nei sistemi elettronici. L'esistenza di un tale anello avrebbe forti effetti su come gli elettroni fluiscono attraverso il sistema e su come si comportano in presenza di un campo magnetico.

"Secondo, il sistema porta a una serie di sistemi correlati che avrebbero tutti simili, comportamento insolito. Alcuni sono altre strutture di carbonio, altri sono sistemi fisici diversi (ad esempio, un reticolo ottico di atomi di gas freddo) che sono collegati in modo simile. Potremmo trovare ulteriori comportamenti insoliti mentre esploriamo lo "zoo" dei sistemi".

Come hanno spiegato gli scienziati, la struttura 3D può anche rendere gli allotropi iper-a nido d'ape estremamente stabili, anche più del diamante o della grafite.

"La stabilità può essere difficile, "Mullen ha detto, riferimento a come viene definita la stabilità. "Il diamante è più forte della grafite, ma 'meno stabile' in quanto non è la forma di carbonio con l'energia più bassa. È 'meta-stabile' in quanto dovresti aspettare un tempo incredibilmente lungo prima che cambi spontaneamente!

"Sappiamo che la struttura H0 [iper-nido d'ape] è meta-stabile:qualsiasi piccola deformazione della struttura aumenta l'energia. Sappiamo che sarebbe difficile per il sistema trovare un modo per riorganizzarsi su qualsiasi altro reticolo. Noi stanno cercando di calcolare la "durezza" e la "forza". Il grafene è forte (è difficile da strappare) da non duro (può essere allungato). Quest'estate ne sapremo di più sulle proprietà del materiale".

Gli scienziati si aspettano che sintetizzare questa nuova famiglia di allotropi del carbonio sarà impegnativo ma possibile con la tecnologia attuale. La sintesi potrebbe richiedere il drogaggio delle catene di carbonio sostituendo altri atomi, come il tallio, per alcuni degli atomi di carbonio al fine di facilitare la crescita delle strutture proposte. Per di più, anche se queste strutture non possono essere realizzate in carbonio, potrebbero essere creati in reticoli ottici di atomi di gas freddo, o forse in altre nanostrutture che producono anelli simili.

"Primo, esploreremo ulteriormente lo 'zoo' di questi reticoli, " Ha detto Mullen. "Questo comporta il calcolo della loro conduttività termica, rigidità, resistenza allo snervamento, e magneto-conduttività. Secondo, andremo oltre questa semplice immagine a singolo elettrone di questi sistemi. Terzo, lavoreremo con collaboratori che vogliono sintetizzare questi materiali."

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