Uno studio condotto presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP), Brasile, ha risolto una controversia di lunga data sui difetti del grafene. La controversia è relativa al calcolo della struttura elettronica complessiva dei difetti. Questa configurazione, che comprende molte variabili, è stato descritto in modi diversi a seconda del ricercatore e del modello utilizzato. La soluzione, che è identico per tutti i modelli e compatibile con i risultati sperimentali, è stato ottenuto dalla cilena Ana María Valencia García e dal suo supervisore del dottorato, Marilia Junqueira Caldas, Professore Ordinario presso IF-USP.

Un articolo scritto da entrambi i ricercatori è stato pubblicato sulla rivista Revisione fisica B , intitolato "Difetto di vacanza singola nel grafene:approfondimenti sulle sue proprietà magnetiche dalla modellazione teorica".

"C'erano divergenze nella comunità riguardo al fatto che il posto vacante formato dalla rimozione di un singolo atomo di carbonio dal reticolo cristallino di un foglio di grafene provoca un momento magnetico debole o forte, e per quanto riguarda la forza dell'interazione magnetica tra i posti vacanti, " disse Caldas. La vacanza spinge gli atomi circostanti a riorganizzarsi in nuove combinazioni per adattarsi all'assenza di un atomo, formando ammassi di elettroni noti come "orbitali fluttuanti" nel sito vuoto.

Tre importanti variabili sono associate al fenomeno:densità elettronica, cioè., come sono distribuiti gli elettroni; livelli di elettroni, cioè., i livelli energetici occupati dagli elettroni; e momento magnetico, cioè., la coppia prodotta negli elettroni da un campo magnetico esterno.

Uso di prima mano del metodo ibrido nel grafene

"Ci sono due modi per calcolare la struttura elettronica complessiva della regione vacante, entrambi derivati ​​dalla meccanica quantistica:il metodo di Hartree-Fock (HF), e teoria del funzionale della densità (DFT). In DFT, il calcolo viene eseguito facendo interagire ciascun elettrone con la densità elettronica media, che include l'elettrone in questione. In HF, l'operatore utilizzato esclude l'elettrone e considera solo la sua interazione con gli altri. L'HF produce risultati più precisi per la struttura degli elettroni ma il calcolo è molto più laborioso, " ha detto Calda.

"I due metodi sono spesso combinati mediante funzionali ibridi, menzionati nella letteratura scientifica dalla fine del XX secolo. Ho lavorato con loro qualche tempo fa in uno studio sui polimeri, ma non erano mai stati usati nel caso del grafene. Quello che io e Ana María Valencia García abbiamo fatto è stato scoprire il funzionale ibrido che meglio descrive il materiale. Applicato a diversi modelli mediante simulazione al computer, il nostro funzionale ibrido ha prodotto lo stesso risultato per tutti e questo risultato corrispondeva ai dati sperimentali".

Oltre a risolvere la controversia, che durava anni, un altro aspetto interessante di questa ricerca è il problema che l'ha motivata. "Ci siamo arrivati ​​attraverso l'interesse suscitato da un materiale noto come terra oscura antropogenica o ADE, " ha spiegato Caldas. "ADE è una specie di molto oscuro, terreno fertile trovato in diverse parti del mondo, compresa l'Amazzonia. Trattiene l'umidità anche ad alte temperature, e rimane fertile anche sotto forti piogge. Viene chiamato antropogenico perché la sua composizione deriva da cumuli e coltivazioni da parte di popolazioni indigene nel periodo precolombiano almeno due millenni fa. Questo materiale intrigante era noto per essere il risultato di strati sovrapposti di nanoflakes di grafene. È stato il nostro interesse per l'ADE che ci ha portato a studiare il fenomeno della vacanza nei fogli di grafene".

In conclusione, va notato che ci sono potenziali applicazioni di posti vacanti nei fogli di grafene, poiché le informazioni possono essere codificate nel difetto e non nell'intera struttura. Sarà necessaria molta più ricerca prima che le applicazioni possano essere sviluppate, però.