Il grafene è stato definito un materiale meraviglioso, capace di compiere grandi e insolite acrobazie materiche. Neanche i nanotubi di nitruro di boro sono fannulloni nel regno dei materiali, e può essere progettato per applicazioni fisiche e biologiche. Però, da soli, questi materiali sono terribili per l'uso nel mondo dell'elettronica. In qualità di conduttore, Il grafene consente agli elettroni di sfrecciare troppo velocemente - non c'è modo di controllarli o fermarli - mentre i nanotubi di nitruro di boro sono così isolanti che gli elettroni vengono respinti come un cane troppo impaziente che colpisce la porta del patio.

Ma insieme, questi due materiali fanno un commutatore digitale praticabile, che è la base per controllare gli elettroni nei computer, telefoni, apparecchiature mediche e altri dispositivi elettronici.

Giogo Khin Yap, professore di fisica alla Michigan Technological University, ha lavorato con un team di ricerca che ha creato questi interruttori digitali combinando grafene e nanotubi di nitruro di boro. Il giornale Rapporti scientifici recentemente pubblicato il loro lavoro.

"La domanda è:come fondere insieme questi due materiali?" Sì, dice. La chiave è massimizzare le loro strutture chimiche esistenti e sfruttare le loro caratteristiche non corrispondenti.

Modifiche alla nanoscala

Il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di una molecola; i nanotubi sono come cannucce fatte di boro e azoto. Yap e il suo team esfoliano il grafene e modificano la superficie del materiale con minuscoli fori. Quindi possono far crescere i nanotubi su e attraverso i fori di spillo. Ingranati insieme in questo modo, il materiale sembra un fiocco di corteccia che germoglia in modo irregolare, peli sottili.

"Quando mettiamo insieme questi due alieni, creiamo qualcosa di meglio, "Yap dice, spiegando che è importante che i materiali abbiano bande sbilenche, o differenze nella quantità di energia necessaria per eccitare un elettrone nel materiale. "Quando li mettiamo insieme, si forma un disadattamento del gap di banda, che crea una cosiddetta "barriera potenziale" che ferma gli elettroni".

La mancata corrispondenza del gap di banda deriva dalla struttura dei materiali:il foglio piatto di grafene conduce rapidamente l'elettricità, e la struttura atomica nei nanotubi blocca le correnti elettriche. Questa disparità crea una barriera, causato dalla differenza nel movimento degli elettroni mentre le correnti si muovono vicino e oltre i nanotubi di nitruro di boro simili a capelli. Questi punti di contatto tra i materiali, chiamati eterogiunzioni, sono ciò che rende possibile l'interruttore digitale on/off.

"Immagina che gli elettroni siano come automobili che percorrono una pista liscia, " Yap dice. "Loro girano intorno e intorno, ma poi arrivano a una scala e sono costretti a fermarsi".

Yap e il suo team di ricerca hanno anche dimostrato che, poiché i materiali sono rispettivamente così efficaci nel condurre o fermare l'elettricità, il rapporto di commutazione risultante è elevato. In altre parole, la velocità con cui i materiali possono accendersi e spegnersi è di diversi ordini di grandezza maggiore degli attuali interruttori al grafene. A sua volta, questa velocità potrebbe alla fine accelerare il ritmo dell'elettronica e dell'informatica.

Risolvere il dilemma dei semiconduttori

Per arrivare un giorno a computer più veloci e più piccoli, Yap afferma che questo studio è una continuazione della ricerca passata sulla realizzazione di transistor senza semiconduttori. Il problema con i semiconduttori come il silicio è che possono diventare così piccoli, e sprigionano molto calore; l'uso di grafene e nanotubi aggira questi problemi. Inoltre, i nanotubi di grafene e nitruro di boro hanno lo stesso schema di disposizione atomica, o corrispondenza reticolare. Con i loro atomi allineati, gli interruttori digitali grafene-nanotubi potrebbero evitare i problemi della diffusione degli elettroni.

"Vuoi controllare la direzione degli elettroni, "Yap spiega, paragonando la sfida a un flipper che intrappola, rallenta e reindirizza gli elettroni. "Questo è difficile in ambienti ad alta velocità, e la diffusione degli elettroni riduce il numero e la velocità degli elettroni."

Proprio come un appassionato di arcade, Yap afferma che lui e il suo team continueranno a cercare di trovare modi per superare in astuzia o modificare la configurazione del flipper del grafene per ridurre al minimo la dispersione di elettroni. E un giorno, tutte le loro modifiche potrebbero rendere i computer più veloci e i flipper digitali per il resto di noi.