La serendipità ha tanto posto nella scienza quanto nell'amore. Questo è ciò che i fisici del nordest Swastik Kar e Srinivas Sridhar hanno scoperto durante il loro progetto quadriennale per modificare il grafene, un reticolo infinitamente sottile più forte dell'acciaio di atomi di carbonio strettamente imballati. Finanziato principalmente dal Laboratorio di ricerca dell'esercito e dall'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa, o DARPA, i ricercatori sono stati incaricati di impregnare il materiale decennale di sensibilità termica per l'uso in dispositivi di imaging a infrarossi come gli occhiali per la visione notturna per i militari.

Quello che hanno portato alla luce, pubblicato venerdì sulla rivista Progressi scientifici , era molto di più:un materiale completamente nuovo filato dal boro, azoto, carbonio, e ossigeno che mostra segni di magnetismo, ottico, ed elettriche, oltre a quelle termiche ricercate da DARPA. Le sue potenziali applicazioni spaziano dalla gamma:dagli array da 20 megapixel per le fotocamere dei cellulari ai fotorivelatori fino ai transistor atomicamente sottili che, moltiplicati per miliardi, potrebbero alimentare i computer.

"Abbiamo dovuto ricominciare da zero e costruire tutto, "dice Kar, un assistente professore di fisica presso il College of Science. "Eravamo in viaggio, creando un nuovo percorso, una nuova direzione di ricerca".

La coppia aveva familiarità con "leghe, "combinazioni controllate di elementi che hanno prodotto materiali con proprietà superiori a quelle del grafene, ad esempio l'aggiunta di boro e azoto al carbonio del grafene per connotare la conduttività necessaria per produrre un isolante elettrico. Ma nessuno aveva mai pensato di scegliere l'ossigeno da aggiungere alla miscela.

Cosa ha portato i ricercatori del Nordest a farlo?

"Bene, non abbiamo scelto l'ossigeno, "dice Kar, sorridendo ampiamente. "L'ossigeno ci ha scelto."

Ossigeno, Certo, è ovunque. Infatti, Kar e Sridhar hanno passato molto tempo a cercare di sbarazzarsi dell'ossigeno che filtrava nel loro infuso, preoccupati che avrebbe contaminato il materiale "puro" che stavano cercando di sviluppare.

"Ecco dove è successo il momento Aha! per noi, " dice Kar. "Ci siamo resi conto che non potevamo ignorare il ruolo che l'ossigeno gioca nel modo in cui questi elementi si mescolano insieme".

"Quindi, invece di cercare di rimuovere l'ossigeno, abbiamo pensato:controlliamo la sua introduzione, "aggiunge Sridhar, il Distinguished Professor di Fisica di Arts and Sciences e direttore dell'Electronic Materials Research Institute di Northeastern.

Ossigeno, si è scoperto, si stava comportando nella camera di reazione in un modo che gli scienziati non avevano mai previsto:stava determinando come gli altri elementi, il boro, carbonio, e azoto, combinati in un solido, forma di cristallo, mentre si inserisce anche nel reticolo. Le tracce di ossigeno erano, metaforicamente, "incidere" alcune delle chiazze di carbonio, spiega Kar, facendo spazio al boro e all'azoto per riempire le lacune.

"Era come se l'ossigeno stesse controllando la struttura geometrica, "dice Sridhar.

Hanno chiamato il nuovo materiale, Sensibilmente, 2D-BNCO, rappresentando i quattro elementi del mix e la bidimensionalità del materiale ultrasottile e leggero, e si occupò di caratterizzarlo e realizzarlo, per garantire che fosse riproducibile e scalabile. Ciò significava indagare sulle miriadi di permutazioni dei quattro ingredienti, mantenendo tre costanti variando la misura della restante, e viceversa, più volte.

Dopo ogni prova, hanno analizzato la struttura e le proprietà funzionali del prodotto:elettrico, ottico—usando microscopi elettronici e strumenti spettroscopici, e collaborato con fisici computazionali, che ha creato modelli delle strutture per vedere se le configurazioni sarebbero state fattibili nel mondo reale.

Successivamente esamineranno le proprietà meccaniche del nuovo materiale e inizieranno a convalidare sperimentalmente quelle magnetiche conferite, sorprendentemente, dalla mescolanza di questi quattro elementi non magnetici. "Cominci a vedere molto rapidamente quanto sia complicato quel processo, "dice Kar.

Ad aiutare in questa complessità c'erano collaboratori da tutto il mondo. Oltre agli scienziati di ricerca associati del nordest, borsisti post-dottorato, e dottorandi, contributori inclusi ricercatori nel governo, industria, e il mondo accademico degli Stati Uniti, Messico, e India.

"C'è ancora molta strada da fare, ma ci sono chiare indicazioni che possiamo mettere a punto le proprietà elettriche di questi materiali, " dice Sridhar. "E se troviamo la giusta combinazione, molto probabilmente arriveremo a quel punto in cui raggiungeremo la sensibilità termica che DARPA stava inizialmente cercando, così come molte applicazioni ancora impreviste."