a) Gli elementi piegati di materiali auxetici si raddrizzano, aumentando la sua dimensione trasversale sotto l'allungamento. b) Prodotti realizzati con qualsiasi materiale, piegato secondo le regole della miura-ori:un sistema di piegatura, che permette di raddrizzare la costruzione in un solo movimento, possiedono anche proprietà auxetiche. c) La suola delle sneakers composta da triangoli sovrapposti si comporta come un auxetico sotto pressione. Credito:autori dell'articolo
Un gruppo di scienziati, compresi gli specialisti del Landau Institute for Theoretical Physics (ITF), ha descritto una caratteristica universale in cui molte proprietà uniche del grafene sono "nascoste". Il comportamento anomalo del grafene può essere completamente caratterizzato dal rapporto di Poisson, che determina la capacità di un materiale di ridursi o estendersi in una dimensione trasversale. Inoltre, gli scienziati hanno scoperto fattori chiave che possono influenzare questa caratteristica. I risultati sono pubblicati in Revisione fisica B .
Il grafene è un foglio bidimensionale costituito da uno strato di atomi di carbonio. Una delle cose più interessanti del grafene è la relazione tra le sue proprietà elastiche ed elettriche uniche. Ad esempio, il grafene mostra una mobilità estremamente elevata delle cariche elettriche, che può cambiare drasticamente sotto stress elastico. I fisici hanno cercato di trovare una caratteristica fisica universale che riflettesse pienamente questo comportamento insolito. Ciò consentirebbe di utilizzare il grafene in modo più efficace, così come creare nuovi materiali con proprietà esotiche richieste. Però, fino a poco tempo fa i ricercatori non riuscivano a trovare alcun parametro del genere.
La chiave per comprendere questa domanda risiedeva nel comportamento insolito del grafene sotto stiramento. I materiali più comuni si restringono in direzione trasversale durante l'allungamento:un elastico ne è un tipico esempio. Però, circa cento anni fa, il fisico tedesco Voldemar Voight scoprì che i cristalli di pirite, anzi, estendere sotto stiramento. Tali materiali erano chiamati auxetici, e alla fine degli anni '70 gli scienziati ottennero il primo auxetico artificiale. Il segreto di tali materiali deriva dalla loro insolita geometria. Sebbene in uno stato rilassato gli elementi strutturali auxetici siano piegati, quando viene applicato lo stretching, si aprono e crescono di dimensioni.
Gli auxetici hanno una serie di caratteristiche insolite che aiuteranno a migliorare le tecnologie esistenti e a crearne di nuove. "I materiali convenzionali si espandono quando vengono riscaldati e questo altera le loro proprietà originali attraverso vari stress e disturbi meccanici. Gli auxetici possono, anzi, restringersi. Quindi c'è un'idea per creare materiali combinati con rapporto di espansione zero usando gli auxetici. All'aumentare della temperatura, il composto convenzionale di tali materiali tenderà ad espandersi, ma il composto auxetico compenserà questo, " commenta Valentin Kachorovskii, uno dei principali ricercatori dell'Istituto Ioffe e dell'ITF.
La caratteristica che determina la capacità del materiale di restringersi o estendersi nella dimensione trasversale sotto tensione è chiamata rapporto di Poisson. Negli auxetici è negativo, in materiali ordinari:positivo. "Gli scienziati sono stati a lungo interessati al rapporto di Poisson del grafene, " dice Kachorovskii. "Per molto tempo abbiamo pensato che fosse uguale al valore negativo universale -?. Però, una serie di recenti calcoli numerici ha mostrato che il rapporto di Poisson del grafene potrebbe essere sia positivo che negativo. A prima vista, i risultati di vari calcoli si contraddicono completamente."
La verifica sperimentale diretta di questo parametro è difficile. Il grafene è difficile da ottenere isolatamente:di solito viene "coltivato" su vari substrati, e le loro caratteristiche mascherano il vero valore del rapporto di Poisson del grafene. Inoltre, i campioni di grafene isolato sono così piccoli che è praticamente impossibile attaccare le staffe per l'allungamento controllato. Allo stesso tempo, ricercatori e ingegneri che sviluppano nuove tecnologie a base di carbonio devono sapere esattamente se il grafene è auxetico o meno.
Gli autori del nuovo lavoro sono riusciti a "conciliare" i risultati contraddittori dei calcoli precedenti e a trovare parametri che determinano esattamente il rapporto di Poisson del grafene. I fisici hanno scoperto che si tratta di un valore variabile a seconda della forza di trazione applicata. "Con una forza molto grande, il grafene si comporta come un normale materiale, dimostrando un coefficiente di Poisson positivo. Però, quando la forza applicata diminuisce, ci troviamo in una zona dove il grafene esibisce proprietà tipicamente auxetiche, " nota Kachorovskii.
Gli scienziati hanno spiegato questo legame insolito tra il rapporto di Poisson e lo stretching. Nelle immagini popolari il grafene è mostrato come un foglio bidimensionale di atomi di carbonio, solitamente piatto. Però, in realtà lungo questo "foglio" corrono le cosiddette onde di flessione. Tendono a trasformare il grafene da uno stato piatto a uno stato accartocciato. "Questo è chiamato un accartocciamento transizione, " Spiega Kachorovskii. "Per molto tempo la teoria delle membrane prevedeva che a causa di questo fenomeno in linea di principio non potessero esistere cristalli bidimensionali come il grafene. Si sforzerebbero sempre di rimpicciolirsi in una palla. Come vediamo, questa ipotesi era un errore poiché lungo la superficie del grafene le normali onde di compressione-estensione corrono insieme a quelle di flessione. L'interazione non lineare tra due tipi di onde non consente alla membrana di ridursi in una palla. Nonostante, la dimensione di tali cristalli non è in realtà pari a due. A causa della transizione accartocciata, è in uno stato intermedio tra due e tre dimensioni."
La membrana che tenta di arricciarsi a causa delle normali onde di compressione-estensione compete con l'effetto di levigatura delle onde trasversali a causa di una forza applicata esterna. Ciò si traduce in un cambiamento di segno del rapporto di Poisson. In altre parole, se la forza esterna è elevata, le proprietà auxetiche anormali sono soppresse e il rapporto di Poisson è positivo. Come hanno dimostrato gli scienziati, le proprietà insolite del grafene si basano su quello stato di riposo leggermente accartocciato. "Nelle pieghe delle onde di flessione trasversali viene immagazzinata energia aggiuntiva, che spiega l'elasticità anormale del grafene e altre proprietà insolite. Per esempio, quando il grafene riscaldato inizia a ridursi in direzione longitudinale, poiché l'intera estensione va a pieghe trasversali, " dice Kachorovskii. "E la caratteristica universale che determina esattamente il comportamento del grafene è il rapporto di Poisson. Con il suo aiuto, puoi descrivere e prevedere un gran numero di proprietà del grafene e di altri materiali."
Inoltre, il lavoro attuale contiene la spiegazione del motivo per cui studi precedenti sul rapporto di Poisson del grafene avevano risultati contraddittori. "Abbiamo derivato un sistema di equazioni analiticamente completo per l'equilibrio elastico del foglio di grafene. Risulta che ci sono due modi di comportamento per la membrana di grafene. Nel solito, tutte le proprietà del grafene sono determinate da formule standard e il rapporto di Poisson è positivo. Allo stesso tempo, per campioni più grandi della cosiddetta lunghezza di Ginzburg, si realizza un regime di elasticità abnorme, portando a un coefficiente di Poisson negativo, " aggiunge Kachorovskii. Per il grafene, La lunghezza di Ginzburg varia da 40 a 70 angstrom. La dimensione dei campioni utilizzati nella pratica è sicuramente maggiore, quindi è possibile vedere il comportamento auxetico più insolito.
La spiegazione di questo fenomeno è connessa anche con onde di diverso tipo, che interagiscono tra loro in maniera molto complicata. "La lunghezza di Ginzburg caratterizza la scala alla quale queste interazioni non possono più essere trascurate quando iniziano a spostare in modo anomalo il materiale. Ad esempio, tale interazione su larga scala non consente ai cristalli bidimensionali di ridursi in una palla, " spiega Kachorovskii. Sostanze diverse hanno lunghezze di Ginzburg diverse e conoscerle è estremamente importante per lo sviluppo di nuovi materiali. "Spesso le persone creano nuovi materiali senza calcolare la lunghezza di Ginzburg e poi cercano di trovare qualcosa di insolito nelle loro proprietà. Ma il nostro lavoro mostra che se la lunghezza di Ginzburg è grande come 1 chilometro, Per esempio, i campioni di dimensioni normali non mostreranno alcuna proprietà speciale, "Note di Kachorovskii.
Il fatto che il grafene possa allungarsi normalmente o in modo anomalo a seconda della forza applicata in prospettiva aiuterà a creare sensori sonori ipersensibili, Per esempio. "Le onde sonore allungano la membrana di grafene, e a seconda del grado di stiramento il grafene cambia notevolmente la resistenza elettrica. I calcoli mostrano che la sensibilità di tale rivelatore può essere gigantesca. Inoltre, negli auxetici la velocità del suono è notevolmente superiore rispetto ai materiali "normali". Il valore di altre costanti elastiche, Per esempio, il modulo di Young rimane lo stesso. Perciò, quando il grafene si allunga allo stato di auxetico, il suono in esso si diffonde molto rapidamente. Questo ci permette di creare sensori ultraveloci in grado di rilevare un cambio di oscillazione molto rapido, "dice Kachorovskii.
