Lo sviluppo di nuovi materiali dagli atomi in su diventa più veloce quando vengono eliminati alcuni tentativi ed errori. Un nuovo studio della Rice University e del Politecnico di Montreal mira a farlo per gli ibridi di grafene e nitruro di boro.

Lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari e Farzaneh Shayeganfar, un ricercatore post-dottorato al Politecnico di Montreal, simulazioni al computer progettate che combinano grafene, la forma spessa di un atomo di carbonio, con nanotubi di carbonio o nitruro di boro.

La loro speranza è che tali ibridi possano sfruttare gli aspetti migliori dei loro materiali costitutivi. La definizione delle proprietà di varie combinazioni semplificherebbe lo sviluppo per i produttori che desiderano utilizzare questi materiali esotici nell'elettronica di prossima generazione. I ricercatori hanno scoperto non solo proprietà elettroniche ma anche magnetiche che potrebbero essere utili.

I loro risultati appaiono sulla rivista Carbonio .

Il laboratorio di Shahsavari studia i materiali per vedere come possono essere resi più efficienti, funzionale ed ecologico. Includono materiali su macroscala come cemento e ceramica, nonché ibridi su nanoscala con proprietà uniche.

"Che sia su macro o microscala, se possiamo sapere esattamente cosa farà un ibrido prima che qualcuno si prenda la briga di fabbricarlo, possiamo risparmiare tempo e costi e forse abilitare nuove proprietà non possibili con nessuno dei componenti, "Ha detto Shahsavari.

I modelli al computer del suo laboratorio simulano come le energie intrinseche degli atomi si influenzano a vicenda mentre si legano in molecole. Per il nuovo lavoro, i ricercatori hanno modellato strutture ibride di grafene e nanotubi di carbonio e di grafene e nanotubi di nitruro di boro.

"Volevamo studiare e confrontare le proprietà elettroniche e potenzialmente magnetiche di diverse configurazioni di giunzione, compresa la loro stabilità, gap di banda elettronica e trasferimento di carica, " ha detto. "Poi abbiamo progettato tre diverse nanostrutture con diverse geometrie di giunzione".

Due erano ibridi con strati di grafene uniti senza soluzione di continuità a nanotubi di carbonio. L'altro era simile ma, per la prima volta, hanno modellato un ibrido con nanotubi di nitruro di boro. Il modo in cui i fogli e i tubi si sono uniti ha determinato le proprietà dell'ibrido. Hanno anche costruito versioni con nanotubi inseriti tra strati di grafene.

Il grafene è un conduttore perfetto quando i suoi atomi si allineano come anelli esagonali, ma il materiale diventa teso quando si deforma per accogliere i nanotubi negli ibridi. Gli atomi bilanciano le loro energie in queste giunzioni formando cinque, anelli di sette o otto membri. Tutti questi inducono cambiamenti nel modo in cui l'elettricità scorre attraverso le giunzioni, trasformando il materiale ibrido in un prezioso semiconduttore.

I calcoli dei ricercatori hanno permesso loro di mappare una serie di effetti. Per esempio, si è scoperto che le giunzioni del sistema ibrido creano campi pseudomagnetici.

"Il campo pseudomagnetico dovuto alla deformazione è stato segnalato in precedenza per il grafene, ma non questi ibridi nitruro di boro e nanostrutture di carbonio in cui la deformazione è inerente al sistema, " Ha detto Shahsavari. Ha notato che l'effetto può essere utile nelle applicazioni spintronica e nano-transistor.

"Il campo pseudomagnetico fa sì che i portatori di carica nell'ibrido circolino come se fossero sotto l'influenza di un campo magnetico esterno applicato, ", ha detto. "Così, vista l'eccezionale flessibilità, resistenza e conducibilità termica dei sistemi ibridi di carbonio e nitruro di boro, proponiamo che il campo pseudomagnetico possa essere un modo praticabile per controllare la struttura elettronica di nuovi materiali."

Tutti gli effetti fungono da road map per applicazioni di nanoingegneria, ha detto Shahsavari.

"Stiamo gettando le basi per una gamma di architetture ibride sintonizzabili, soprattutto per nitruro di boro, che è promettente quanto il grafene ma molto meno esplorato, " ha detto. "Gli scienziati hanno studiato strutture interamente in carbonio per anni, ma lo sviluppo del nitruro di boro e di altri materiali bidimensionali e le loro varie combinazioni tra loro ci offre un ricco insieme di possibilità per la progettazione di materiali con proprietà mai viste prima".

Shahsavari è un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria.