I materiali più sottili che possono essere prodotti oggi hanno lo spessore di un singolo atomo. Questi materiali, noti come materiali bidimensionali, presentano proprietà molto diverse rispetto alle loro controparti tridimensionali sfuse. Fino a poco tempo fa, I materiali 2-D sono stati prodotti e manipolati come film sulla superficie di un substrato 3-D adatto. Lavorando in collaborazione con un team del Leibniz Institute for New Materials, un gruppo di fisici della Saarland University, guidato dal professor Uwe Hartmann, è riuscito per la prima volta a caratterizzare le proprietà meccaniche delle membrane autoportanti di grafene dello spessore di un singolo atomo. Le misurazioni sono state eseguite utilizzando la microscopia a effetto tunnel (STM). I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista specializzata Nanoscala .

I materiali bidimensionali sono noti solo da pochi anni. Nel 2010, gli scienziati André Geim e Konstantin Novoselov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per il loro lavoro di ricerca sul materiale grafene, un allotropo bidimensionale di carbonio puro. A seguito di quella scoperta, sono stati prodotti e caratterizzati un certo numero di altri materiali 2-D realizzati in silicio o germanio. "La particolarità di questi materiali è che hanno uno spessore di un solo atomo:sono praticamente tutti di superficie, " spiega il professor Uwe Hartmann, un fisico sperimentale alla Saarland University. Di conseguenza possiedono proprietà fisiche completamente diverse dai loro parenti tridimensionali più convenzionali.

"Le proprietà elettroniche di alcune configurazioni del grafene sono spettacolari. Gli elettroni all'interno del materiale sono relativistici, cioè obbediscono alle leggi della teoria della relatività, il che non è certamente il caso degli elettroni nei materiali convenzionali. Ciò suggerisce una serie di vantaggi interessanti per i componenti elettronici realizzati con materiali bidimensionali, " afferma Hartmann. Anche le proprietà meccaniche di questi materiali 2-D sono uniche. Secondo Hartmann:"Alcune configurazioni di questi materiali bidimensionali mostrano un grado di stabilità meccanica che è, rispetto allo spessore del materiale, di gran lunga maggiore di quello visto nei materiali tridimensionali più stabili." Per sfruttare questo potenziale, l'UE ha istituito il suo progetto Graphene Flagship nel 2013. Con un budget di ricerca di 1 miliardo di euro è ad oggi la più grande iniziativa di ricerca dell'UE.

Però, le informazioni sulle proprietà meccaniche di questi nuovi materiali sono state finora ricavate da simulazioni. "Fino ad ora, lavorare con materiali bidimensionali ha significato lavorare con film ultrasottili sulla superficie di un opportuno substrato tridimensionale. Di conseguenza, le proprietà del sistema complessivo sono inevitabilmente determinate dal materiale tridimensionale, " spiega Hartmann. Lavorando in collaborazione con il Leibniz Institute for New Materials (INM), che si trova anche nel campus di Saarbrücken, Il team di ricerca di Hartmann presso il Dipartimento di ricerca sulle nanostrutture e sulle nanotecnologie è riuscito per la prima volta a misurare direttamente le proprietà meccaniche di un membrana a strato singolo del grafene allotropo di carbonio.

"Ora siamo in grado di confrontare direttamente i dati dei calcoli del modello con i nostri risultati sperimentali. Inoltre, ora possiamo misurare come i diversi difetti nel reticolo cristallino della membrana influenzino le sue proprietà meccaniche, " afferma il professor Hartmann. Questi materiali bidimensionali rappresentano una significativa promessa di sviluppi innovativi in ​​una varietà di settori tecnologici, dai sensori e attuatori ai sistemi di filtraggio e alle celle a combustibile. I risultati e i metodi sviluppati dal team di Saarbrücken sono quindi di grande interesse in numerosi campi di ricerca.

Gli scienziati di Saarbrücken hanno utilizzato un monostrato di grafene supportato su un substrato con una serie regolare di fori circolari. Hartmann spiega la configurazione come segue:"I fori avevano un diametro di circa un micrometro. Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) siamo stati in grado di analizzare la membrana indipendente sopra i fori con precisione atomica".

"Quando viene applicata una tensione elettrica tra la punta dell'STM e la membrana di un singolo atomo di grafene, scorre una corrente elettrica, " spiega Hartmann. Questa corrente, nota come "corrente di tunneling", è molto sensibile alla distanza tra la punta del microscopio e il campione di membrana e alla distribuzione degli elettroni nel film di grafene. "Utilizziamo questo effetto per rendere visibili i singoli atomi. La corrente di tunneling varia mentre la punta STM viene scansionata sul materiale". Ma i ricercatori sfruttano anche un altro effetto. Quando viene applicata una tensione tra la punta dell'STM e il campione, una forza agisce sulla membrana di grafene autoportante e inizia a rigonfiarsi verso la punta. "Mentre la mancia viene ritirata, il monostrato atomicamente sottile si gonfia ancora di più, poiché viene effettivamente sollevato da pinzette atomicamente precise. La misurazione della deflessione della membrana in funzione della forza di trazione elettrostatica generata dall'STM produce un diagramma sforzo-deformazione che ci fornisce le proprietà meccaniche chiave della membrana di grafene, " spiega Hartmann.

"Registrando questi diagrammi sperimentali sforzo-deformazione, abbiamo potuto verificare direttamente le straordinarie proprietà meccaniche che si presumevano fino ad ora per questi materiali. E siamo stati in grado di farlo usando forze dell'ordine di un miliardesimo di Newton - lontano, di gran lunga inferiore a qualsiasi forza utilizzata in una misurazione meccanica convenzionale, " dice Hartmann. I ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare che quando una forza è stata applicata a una membrana di grafene indipendente, la membrana non si comportava come la pelle liscia di un timpano ma assomigliava molto di più alla superficie increspata di un lago. Le membrane mostrano una gamma di movimenti ondulatori e rispondono a qualsiasi disturbo esterno generando nuove increspature sulla superficie della membrana".