Nel tentativo di miniaturizzare l'elettronica, i solenoidi sono diventati troppo grandi, affermano gli scienziati della Rice University che hanno scoperto che il componente essenziale può essere ridimensionato a dimensioni nanometriche con prestazioni su macroscala.

Il segreto è in una forma a spirale di grafene sottile come un atomo che, notevolmente, si può trovare in natura, secondo il fisico teorico di Rice Boris Yakobson e i suoi colleghi.

"Generalmente, determiniamo le caratteristiche dei materiali che pensiamo sia possibile realizzare, ma questa volta stiamo guardando una configurazione che esiste già, " disse Yakobson. "Queste spirali, o dislocazioni a vite, forma naturalmente nella grafite durante la sua crescita, anche nel carbone comune».

I ricercatori hanno determinato che quando viene applicata una tensione, la corrente scorrerà attorno al percorso elicoidale e produrrà un campo magnetico, come nei macro induttori-solenoidi. La scoperta è dettagliata in un nuovo articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

"Si può paragonare la struttura a un parcheggio a molti piani per gli elettroni, ma senza parcheggi, quindi gli elettroni passano semplicemente attraverso, " Disse Yakobson. "Oppure si può dire che assomiglia alla vite di Archimede, che ruota per pompare acqua in salita, ma è invece piena di elettricità.

"Forse qui potrebbe funzionare al contrario:una corrente di elettroni, pompato dalla tensione applicata, in determinate condizioni può solo causare la rotazione della spirale di grafene, come una piccola elettroturbina veloce, " Egli ha detto.

I solenoidi sono fili avvolti attorno a un nucleo metallico. Producono un campo magnetico quando trasportano corrente, trasformandoli in elettromagneti. Questi sono diffusi nei dispositivi elettronici e meccanici, dai circuiti stampati ai trasformatori alle automobili. Servono anche come induttori, componenti primari nei circuiti elettrici che regolano la corrente, e nella loro forma più piccola fanno parte di circuiti integrati. (Il grumo di cavi di alimentazione che alimentano i dispositivi elettronici contiene induttori.)

Mentre i transistor diventano costantemente più piccoli, gli induttori di base nell'elettronica sono diventati relativamente ingombranti, disse Fangbo Xu, un alunno di riso e autore principale del documento. "È lo stesso all'interno dei circuiti, " ha detto. "Gli induttori a spirale commerciali su silicio occupano un'area eccessiva. Se realizzato, i nano-solenoidi di grafene potrebbero cambiarlo".

I nano-solenoidi analizzati attraverso modelli computerizzati alla Rice dovrebbero essere in grado di produrre potenti campi magnetici di circa 1 tesla, all'incirca come le bobine che si trovano nei tipici altoparlanti, secondo Yakobson e il suo team. Hanno scoperto che il campo magnetico sarebbe stato più forte nella cavità, cavità di dimensioni nanometriche al centro della spirale.

La forma a spirale è riconducibile a un semplice trucco topologico, Egli ha detto. Il grafene è costituito da array esagonali di atomi di carbonio. Gli esagoni malformati noti come dislocazioni lungo un bordo costringono il grafene a ruotare su se stesso, simile a un nanonastro continuo che imita un costrutto matematico noto come superficie di Riemann.

I ricercatori hanno dimostrato teoricamente come l'energia fluirebbe attraverso gli esagoni nei nano-solenoidi con bordi in formazioni a poltrona oa zigzag. In un caso, hanno determinato che le prestazioni di un induttore a spirale convenzionale di 205 micron di diametro potrebbero essere eguagliate da un nano-solenoide largo 70 nanometri - quasi 10, 000, 000 volte più piccolo.

Poiché il grafene non ha una banda proibita energetica (che conferisce a un materiale proprietà semiconduttive), l'elettricità dovrebbe passare senza barriere. Ma infatti, la larghezza della spirale e la configurazione dei bordi – poltrona o zigzag – influenzano la distribuzione della corrente, e quindi le sue proprietà induttive.

I ricercatori hanno suggerito che dovrebbe essere possibile isolare le dislocazioni delle viti di grafene da cristalli di carbonio grafitico (grafene in forma sfusa), ma indurre i fogli di grafene a crescere a spirale consentirebbe un migliore controllo delle sue proprietà, ha detto Yakobson.

I nano-solenoidi suggeriti da Xu possono anche essere utili come relè molecolari o trappole commutabili per molecole magnetiche o radicali nelle sonde chimiche.