Ricercatori della Penn State, l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e la Lockheed Martin Space Systems Company hanno sviluppato metodi per controllare i difetti nei materiali bidimensionali, come il grafene, che può portare a membrane migliorate per la desalinizzazione dell'acqua, stoccaggio di energia, sensori o rivestimenti protettivi avanzati.

Per un bidimensionale, materiale dello spessore di un atomo come il grafene, difetti come piccole crepe o fori possono fare una grande differenza nelle prestazioni. Generalmente, questi difetti sono considerati indesiderabili. Ma se i difetti possono essere controllati, possono essere usati per progettare nuovi, proprietà desiderabili nel materiale.

"Finché puoi controllare i difetti, potresti essere in grado di sintetizzare in qualsiasi risposta il grafene ti darà, "dice Adri van Duin, autore corrispondente su un recente articolo sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano . "Ma ciò richiede che tu abbia un ottimo controllo sulla struttura dei difetti e sul comportamento dei difetti. Quello che abbiamo fatto qui è un passo piuttosto forte verso questo."

van Duin è il co-inventore e sviluppatore principale di una tecnica di modellazione e simulazione matematica chiamata ReaxFF, che è in grado di prevedere le interazioni di migliaia di atomi quando sono perturbati da una forza esterna, in questo caso il bombardamento del grafene da parte di atomi di un gas nobile.

I gas nobili, che includono elio, neon, argon, cripto e xeno, sono spesso utilizzati per creare difetti nel grafene allo scopo di migliorarne le proprietà. Espellendo uno o più atomi di carbonio dagli esagoni interconnessi del grafene, una struttura che ricorda il filo di pollo, il buco risultante può essere riempito da atomi di un altro materiale o molecola in un processo chiamato drogaggio. Il doping può modificare le proprietà chimiche o elettriche del grafene, a, Per esempio, consentono alle molecole d'acqua di fluire mentre si rifiutano le particelle di sale.

"Abbiamo effettuato una serie di simulazioni su scala atomica in cui acceleriamo ioni di gas nobile nel grafene. Le simulazioni hanno fornito più o meno gli stessi schemi di difetto degli esperimenti, " Dice van Duin. "Ciò significa che le nostre simulazioni possono dire allo sperimentatore quale dose di atomi a quale accelerazione hanno bisogno per ottenere quei tipi di difetti".

Poiché i difetti possono trasformarsi in forme diverse o spostarsi nei secondi dopo la creazione, il suo gruppo simula anche di mettere il grafene in un forno e scaldarlo ad alta temperatura, chiamato ricottura, per stabilizzare la struttura.

È insolito che una simulazione atomistica corrisponda alla stessa dimensione, tempo e intervallo di esposizione come esperimento, a causa della spesa computazionale di fare interazioni tra migliaia di atomi sulla scala temporale necessaria per stabilizzare un materiale, dice van Duin. Il metodo del campo di forza reattivo (ReaxFF), sviluppato da van Duin e William A. Goddard di CalTech, è in grado di modellare le interazioni chimiche e fisiche in molecole e materiali come legami tra atomi che si formano e si rompono.

Kichul Yoon, l'autore principale del documento e uno studente laureato nel gruppo di van Duin, dice, "Questo studio fornisce informazioni sui dettagli su scala atomica dell'irradiazione del grafene ed è un passo preliminare nella progettazione di materiali di carbonio funzionalizzati in due dimensioni".

van Duin aggiunge, "Chiaramente non c'è nulla che lo renda esclusivo del grafene. Qualsiasi materiale 2D può essere trattato con le stesse simulazioni. Chiunque voglia drogare un materiale 2D o capire i difetti sarà interessato a queste simulazioni".

I ricercatori intendono continuare a lavorare con Lockheed Martin su applicazioni aerospaziali e perseguiranno anche l'obiettivo della desalinizzazione dell'acqua a base di grafene. Jacob Swett di Lockheed Martin ha preparato i campioni utilizzati negli esperimenti ed è stato fondamentale per portare avanti il ​​progetto.

Per correlare le simulazioni con gli esperimenti, i ricercatori si sono affidati al Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, per creare difetti utilizzando il bombardamento ionico e successivamente caratterizzare tali difetti utilizzando l'imaging a risoluzione atomica. "Al CNMS, disponiamo di strumenti all'avanguardia di microscopia elettronica a scansione a scansione e a fascio di ioni di elio e neon con correzione dell'aberrazione che consentono la caratterizzazione su scala atomica, "dice Raymond Unocic, uno scienziato del personale di ricerca e sviluppo presso l'Oak Ridge National Laboratory.