In una collaborazione tra l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e la Northeastern University, gli scienziati hanno sviluppato un modello per prevedere la forma dei nanocristalli metallici o "isole" inseriti tra o sotto materiali bidimensionali (2-D) come il grafene. L'avanzamento avvicina i materiali quantistici 2-D alle applicazioni nell'elettronica.

Gli scienziati del laboratorio Ames sono esperti in materiali 2-D, e ha recentemente scoperto una combinazione di rame e grafite unica nel suo genere, prodotto depositando rame su grafite bombardata di ioni ad alta temperatura e in un ambiente di vuoto ultra spinto. Ciò ha prodotto una distribuzione di isole di rame, incorporato sotto una "coperta" ultrasottile costituita da pochi strati di grafene.

"Poiché queste isole metalliche possono potenzialmente fungere da contatti elettrici o dissipatori di calore nelle applicazioni elettroniche, la loro forma e il modo in cui raggiungono quella forma sono informazioni importanti nel controllo del design e della sintesi di questi materiali, "ha detto Pat Thiel, uno scienziato del laboratorio Ames e illustre professore di chimica e scienza e ingegneria dei materiali presso la Iowa State University.

Gli scienziati dell'Ames Laboratory hanno utilizzato la microscopia a effetto tunnel per misurare scrupolosamente le forme di oltre un centinaio di isole di rame su scala nanometrica. Ciò ha fornito la base sperimentale per un modello teorico sviluppato congiuntamente dai ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica e industriale della Northeastern University e dell'Ames Laboratory. Il modello è servito a spiegare molto bene i dati. L'unica eccezione, per quanto riguarda le isole di rame alte meno di 10 nm, sarà la base per ulteriori ricerche.

"Ci piace vedere applicata la nostra fisica, e questo era un bel modo per applicarlo, " ha detto Scott E. Julien, dottorato di ricerca candidato, a nordest. "Siamo stati in grado di modellare la risposta elastica del grafene mentre si avvolge sulle isole di rame, e usalo per prevedere le forme delle isole."

Il lavoro ha mostrato che lo strato superiore di grafene resiste alla pressione verso l'alto esercitata dall'isola metallica in crescita. In effetti, lo strato di grafene si schiaccia verso il basso e appiattisce le isole di rame. La contabilizzazione di questi effetti e di altri fattori energetici chiave porta alla previsione imprevista di un universale, o indipendente dalle dimensioni, forma delle isole, almeno per isole sufficientemente grandi di un dato metallo.

"Questo principio dovrebbe funzionare anche con altri metalli e altri materiali stratificati, " ha detto assistente di ricerca, Ann Lii-Rosales. "Sperimentalmente vogliamo vedere se possiamo usare la stessa ricetta per sintetizzare metalli sotto altri tipi di materiali stratificati con risultati prevedibili".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento "Squeezed Nanocrystals:Equilibrium Configuration of Metal Clusters Embedded Beneath the Surface of a Layered Material, " pubblicato in Nanoscala .

La ricerca è stata una collaborazione tra Ames Laboratory e Northeastern University.