I ricercatori riferiscono che è possibile spostare una nanoparticella sulla superficie di un foglio di grafene applicando una differenza di temperatura alle estremità della membrana:un nanocluster sulla superficie si sposterà dalla regione calda a quella fredda. Inoltre, contrariamente alle leggi fisiche della macroscala, la forza che agisce sulla particella, la cosiddetta forza termoforetica, non dovrebbe diminuire all'aumentare della lunghezza del foglio, sfoggiando invece un cosiddetto comportamento balistico, come un proiettile nella canna di un fucile. Infatti, le simulazioni mostrano che le oscillazioni termiche verticali della membrana di grafene fluiscono balisticamente dal caldo al freddo, fornendo una spinta all'oggetto.

Per usare un'altra analogia, queste onde verticali, noti come fononi flessionali, spingere il nanocluster nello stesso modo in cui le onde dell'oceano spingono una tavola da surf a riva, non importa quanto lontano provenisse l'onda. Queste previsioni teoriche potrebbero essere di grande interesse nella manipolazione di materiali su scala nanometrica. La ricerca è stata pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"I gradienti di temperatura in un fluido impartiscono a un corpo una forza che può spostarlo. Tale fenomeno, tecnicamente denominata termoforesi, è noto da secoli. Più recentemente, simulazioni numeriche hanno indicato che un tale spostamento spaziale indotto dal gradiente funziona anche per molecole o piccoli cluster posizionati su una membrana bidimensionale solida come il grafene. Ma nessuno ha mai cercato di capire la fisica dietro il processo. Questo era lo scopo del nostro studio, " spiegano gli scienziati.

Utilizzando un software specifico, i ricercatori hanno simulato il comportamento di un minuscolo nanocluster d'oro, fatto di poche centinaia di atomi, adsorbito su un foglio di grafene sospeso tra due estremità a temperature diverse.

"In una tale condizione, la particella si sposta effettivamente dall'estremità calda a quella fredda. Sorprendentemente, anche se, la spinta ad esso impressa dipende solo dal gradiente termico e non dalla lunghezza della lamiera, " dicono i ricercatori. Così, è dimostrato che la distanza tra le due estremità della membrana non ha alcuna influenza sulla forza che agisce sul cluster d'oro:questa forza rimane costante fino e oltre una lunghezza del foglio di 100 nanometri.

"Abbiamo chiamato questa particolare termoforesi balistica, per distinguerlo da quello diffusivo, che vale naturalmente nel mondo macroscopico. Usando una semplice metafora, immagina le due estremità del foglio di grafene come la parte superiore e la parte inferiore di uno scivolo al parco giochi, e la differenza di temperatura come differenza di altezza. Nel mondo macroscopico che sperimentiamo nella vita di tutti i giorni, quanto più vicine sono le estremità della diapositiva, più veloce sarà la caduta dell'oggetto. Nel nanomondo, secondo le nostre simulazioni, questo non è ciò che accade. A questa scala, la forza e la velocità di caduta dipendono solo dal gradiente di temperatura. Ma non alla distanza... Abbiamo scoperto che la forza sperimentata dalla particella è dovuta a movimenti termici verticali, noti come fononi flessionali, che sono particolarmente larghe e morbide in una membrana di grafene. Il flusso di fononi flessionali scorre dal caldo al freddo senza perdere forza e spingendo l'oggetto sulla superficie, " scrivono gli scienziati.

Come possono tali onde termiche verticali dare una spinta orizzontale all'ammasso d'oro? "Il nostro studio mostra che un preciso meccanismo anarmonico gioca un ruolo cruciale nel grafene e in altre membrane flessibili bidimensionali. Questo meccanismo fornisce ai fononi flessionali un momento meccanico, che di solito non hanno. Agendo come se trasportassero una massa, i fononi trasferiscono parte della loro quantità di moto alla particella d'oro, inducendolo a muoversi... È esattamente come una tovaglia su un tavolo:un'ondulazione al centro (i fononi di flessione), che significa maggiore densità del tessuto al centro, costringe gli estremi a contrarsi (i fononi longitudinali, nel caso del grafene). La particella depositata è sensibile solo all'ondulazione, che lo spinge in avanti».

Gli autori concludono, "Quando questo progetto è iniziato, non ci aspettavamo di poter osservare una tale varietà di fenomeni, era uno studio puramente teorico. I nostri risultati, anche se, aprire la strada a futuri esperimenti, come una forza meccanica indipendente dalla distanza potrebbe possedere applicazioni pratiche."