I grafeni tridimensionali disordinati sono materiali di carbonio presenti nelle batterie, filtri per l'acqua, maschere antigas, ceramiche ad alta temperatura, sensori elettrochimici e isolamento. Hanno anche usi più specializzati, come proteggere la sonda solare Parker dall'incendio mentre si avvicina al sole.

Rosalind Franklin, lo scienziato che avrebbe poi dedotto la geometria elicoidale del DNA, scoprì per la prima volta questa classe di materiali nel 1951. La maggior parte dei materiali contenenti carbonio sviluppa piccole regioni stratificate di grafene quando viene riscaldata. Dopo un ulteriore riscaldamento, a migliaia di gradi, ha scoperto (con sua sorpresa) una completa riluttanza dei carboni a convertirsi nella forma più stabile di grafite di carbonio, rendendolo estremamente metastabile.

Le spiegazioni per questa riluttanza a grafitizzare si sono concentrate sui collegamenti incrociati all'interno della struttura, strutture nastriformi annodate o orditura dei fogli in geometrie a scodella oa sella. Però, gli esperimenti non sono stati in grado di risolvere e combinare questi suggerimenti in un modello coerente della nanostruttura.

Ricercatori della Curtin University, L'Australia e l'Università di Cambridge hanno ora pubblicato una possibile soluzione al problema di Franklin in Lettere di revisione fisica . Si sono rivolti a simulazioni su larga scala utilizzando il supercomputer Pawsey australiano per autoassemblare le reti più grandi e accurate di grafeni 3D disordinati fino ad oggi.

Hanno sviluppato una nuova misura per la curvatura globale delle reti e hanno scoperto che per tutte le densità, sono presenti fogli di grafene a forma di sella in eccesso. Queste forme a sella sono causate dall'integrazione di anelli a 7 o 8 membri all'interno della rete esagonale di grafene. Questa deformazione gli consente di connettersi in 3D e i ricercatori suggeriscono che è la causa della resistenza del materiale a convertirsi in grafite.

Che ne dici delle piccole regioni di grafene stratificato di Franklin? I ricercatori hanno scoperto che aumentando la densità del materiale, i fogli di grafene si snodavano come una scala a chiocciola. Questo difetto della vite o dell'elica è ben noto nella grafite ma non è stato suggerito in questi materiali disordinati. Sono stati scoperti una serie di altri difetti, che risolvono molti problemi della rete di grafene sia curva che stratificata.

Questi risultati aprono possibilità per la comprensione e la progettazione di materiali in carbonio per applicazioni in supercondensatori, fibre di carbonio e applicazioni ceramiche ad alta temperatura. Però, è necessario ulteriore lavoro per confermare sperimentalmente alcuni aspetti del modello.

Per quanto riguarda le nuove applicazioni, i ricercatori suggeriscono che i materiali in carbonio potrebbero essere sintonizzati e ottimizzati topologicamente per un determinato prodotto. Per esempio, e di particolare importanza industriale per la realizzazione di batterie ed elettrodi, i carboni disordinati potrebbero essere trasformati in grafite (invece di affidarsi a pratiche minerarie insostenibili).

C'è una piacevole connessione con il successivo lavoro di Franklin sul DNA in quanto la soluzione al suo precedente problema di non grafitizzabilità nei materiali di carbonio potrebbe risiedere anche nella topologia e nella famosa struttura dell'elica.