Nella frenesia della ricerca mondiale su materiali atomicamente sottili come il grafene, c'è un'area che è sfuggita a qualsiasi analisi sistematica, anche se queste informazioni potrebbero essere cruciali per una serie di potenziali applicazioni, compresa la desalinizzazione, Sequenziamento del DNA, e dispositivi per comunicazioni quantistiche e sistemi di calcolo.

Quelle informazioni mancanti hanno a che fare con i tipi di minuscoli difetti, o "buchi, " che si formano in questi fogli 2-D quando mancano alcuni atomi dal reticolo cristallino del materiale.

Ora che il problema è stato risolto dai ricercatori del MIT, che hanno prodotto un catalogo delle dimensioni esatte e delle forme dei fori che molto probabilmente verrebbero osservate (in contrapposizione ai molti di più che sono teoricamente possibili) quando un dato numero di atomi viene rimosso dal reticolo atomico. I risultati sono descritti nella rivista Materiali della natura in un articolo dello studente laureato Ananth Govind Rajan, professori di ingegneria chimica Daniel Blankschtein e Michael Strano, e altri quattro al MIT, Lockheed Martin Spazio, e l'Università di Oxford.

"È stato un problema di vecchia data nel campo del grafene, quello che chiamiamo il problema della catalogazione degli isomeri per i nanopori, " dice Strano. Per chi vuole usare il grafene o simili bidimensionali, materiali lastriformi per applicazioni che includono la separazione chimica o la filtrazione, lui dice, "abbiamo solo bisogno di capire i tipi di difetti atomici che possono verificarsi, "rispetto al numero enormemente maggiore che non si vede mai.

Per esempio, Blankschtein sottolinea, rimuovendo solo otto atomi di carbonio contigui dall'array esagonale di atomi a forma di filo di pollo nel grafene, ci sono 66 diverse forme possibili che potrebbe avere il foro risultante. Quando il numero di atomi rimossi aumenta a 12, il numero di forme possibili salta a 3, 226, e con 30 atomi rimossi, ci sono 400 miliardi di possibilità, un numero che va ben oltre ogni ragionevole possibilità di simulazione e analisi. Eppure solo una manciata di queste forme si trovano effettivamente negli esperimenti, quindi la capacità di prevedere quali si verificano realmente potrebbe essere di grande utilità per i ricercatori.

Descrivendo la mancanza di informazioni su quali tipi di buchi si possono effettivamente formare, Strano dice, "Cosa ha fatto, praticamente parlando, è stato creato uno scollamento tra ciò che si potrebbe simulare con un computer e ciò che si potrebbe effettivamente misurare in laboratorio." Questo nuovo catalogo delle forme effettivamente possibili renderà molto più gestibile la ricerca di materiali per usi specifici, lui dice.

La capacità di eseguire l'analisi si basava su una serie di strumenti che semplicemente non erano disponibili in precedenza. "Non avresti potuto risolvere questo problema 10 anni fa, " dice Strano. Ma ora, con l'uso di strumenti tra cui la teoria dei grafi chimici, calcoli accurati della struttura elettronica, e microscopia elettronica a trasmissione di scansione ad alta risoluzione, i ricercatori hanno catturato immagini dei difetti che mostrano le posizioni esatte dei singoli atomi.

Il team chiama questi fori nel reticolo "antimolecole" e li descrive in termini della forma che si formerebbe dagli atomi che sono stati rimossi. Questo approccio prevede, per la prima volta, un quadro semplice e coerente per descrivere l'intero insieme di queste forme complesse. In precedenza, "se parlavi di questi pori nel materiale, non c'era modo di identificare" il tipo specifico di foro coinvolto, dice Govind Rajan. "Una volta che le persone iniziano a creare questi pori più spesso, sarebbe bene avere una convenzione di denominazione" per identificarli, Aggiunge.

Questo nuovo catalogo potrebbe aiutare ad aprire una serie di potenziali applicazioni. "I difetti sono sia buoni che cattivi, "Spiega Strano. "A volte vuoi prevenirli, "perché indeboliscono il materiale, ma "altre volte vuoi crearli e controllarne le dimensioni e le forme, " ad esempio per la filtrazione, lavorazione chimica, o sequenziamento del DNA, dove solo determinate molecole specifiche possono passare attraverso questi fori. Un'altra applicazione potrebbe essere l'informatica quantistica o i dispositivi di comunicazione in cui i fori di dimensioni e forma specifiche sono sintonizzati per emettere fotoni di luce di colori e livelli di energia specifici.

Oltre al loro impatto sulle proprietà meccaniche di un materiale, i buchi influiscono sull'elettronica, magnetico, e caratteristiche ottiche pure, dice Govind Rajan.

"Riteniamo che questo lavoro costituirà uno strumento prezioso" per la ricerca sui difetti nei materiali 2-D, Strano prevede, because it will allow researchers to home in on promising types of defects instead of having to sort through countless theoretically possible shapes "that you don't care about at all, because they are so improbable they'll never form."