Illustrazione di una curva in grafene a doppio strato. Credito:Blanka Janicek, Pinshane Huang Lab
Una nuova ricerca degli ingegneri dell'Università dell'Illinois combina la sperimentazione su scala atomica con la modellazione al computer per determinare quanta energia è necessaria per piegare il grafene multistrato, una domanda che è sfuggita agli scienziati da quando il grafene è stato isolato per la prima volta. I risultati sono riportati sulla rivista Materiali della natura .
Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo, è il materiale più resistente al mondo e così sottile da essere flessibile, hanno detto i ricercatori. È considerato uno degli ingredienti chiave delle tecnologie future.
La maggior parte dell'attuale ricerca sul grafene mira allo sviluppo di dispositivi elettronici su scala nanometrica. Ancora, i ricercatori affermano che molte tecnologie, dall'elettronica estensibile ai minuscoli robot così piccoli da non poter essere visti ad occhio nudo, richiedono una comprensione della meccanica del grafene, in particolare come si flette e si piega, per sbloccare il loro potenziale.
"La rigidità alla flessione di un materiale è una delle sue proprietà meccaniche più fondamentali, " ha detto Edmund Han, uno studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria e coautore di studi. "Anche se studiamo il grafene da due decenni, dobbiamo ancora risolvere questa proprietà molto fondamentale. Il motivo è che diversi gruppi di ricerca hanno fornito risposte diverse che abbracciano ordini di grandezza".
Il team ha scoperto perché i precedenti sforzi di ricerca non erano d'accordo. "Stavano piegando un po' il materiale o piegandolo molto, " disse Jaehyung Yu, uno studente laureato in scienze meccaniche e ingegneria e coautore di studi. "Ma abbiamo scoperto che il grafene si comporta in modo diverso in queste due situazioni. Quando pieghi leggermente il grafene multistrato, si comporta più come un piatto rigido o un pezzo di legno. Quando lo pieghi molto, si comporta come una pila di fogli in cui gli strati atomici possono scivolare l'uno sull'altro".
"Ciò che è entusiasmante di questo lavoro è che mostra che anche se tutti erano in disaccordo, in realtà erano tutti corretti, " disse Arend van der Zande, professore di scienze meccaniche e ingegneria e coautore di studi. "Ogni gruppo stava misurando qualcosa di diverso. Quello che abbiamo scoperto è un modello per spiegare tutto il disaccordo mostrando come si relazionano tutti insieme attraverso diversi gradi di piegatura".
Per fare il grafene piegato, Yu ha fabbricato singoli strati atomici di nitruro di boro esagonale, un altro materiale 2-D, in passaggi su scala atomica, poi timbrato il grafene sopra. Utilizzando un fascio di ioni focalizzato, Han ha tagliato una fetta di materiale e ha ripreso la struttura atomica con un microscopio elettronico per vedere dove si trovava ogni strato di grafene.
Il team ha quindi sviluppato una serie di equazioni e simulazioni per calcolare la rigidità alla flessione utilizzando la forma della curvatura del grafene.
Lo studente laureato Edmund Han, sinistra, professoressa Elif Ertekin, studente laureato Jaehyung Yu, professore Pinshane Y. Huang, davanti, e il professor Arend M. van der Zande hanno determinato quanta energia è necessaria per piegare il grafene multistrato, una domanda che è sfuggita a lungo agli scienziati. Credito:Stephanie Adams
Coprendo più strati di grafene su un gradino alto da uno a cinque atomi, i ricercatori hanno creato un modo controllato e preciso per misurare come il materiale si piegherebbe sul gradino in diverse configurazioni.
"In questa semplice struttura, ci sono due tipi di forze coinvolte nel piegare il grafene, " disse Pinshane Huang, professore di scienze dei materiali e ingegneria e coautore di studi. "Adesione, o l'attrazione degli atomi sulla superficie, cerca di tirare giù il materiale. Più rigido è il materiale, più cercherà di riemergere, resistere alla trazione di adesione. La forma che il grafene assume nei passaggi atomici codifica tutte le informazioni sulla rigidità del materiale".
Lo studio ha controllato sistematicamente esattamente quanto il materiale si piegava e come cambiavano le proprietà del grafene.
"Poiché abbiamo studiato il grafene piegato di quantità diverse, abbiamo potuto assistere al passaggio da un regime all'altro, comportamento da rigido a flessibile e da lamiera a lamiera, ", ha affermato la professoressa di scienze meccaniche e ingegneria Elif Ertekin, che ha guidato la parte di modellazione al computer della ricerca. "Abbiamo costruito modelli in scala atomica per dimostrare che il motivo per cui ciò potrebbe accadere è che i singoli strati possono scivolare l'uno sull'altro. Una volta che abbiamo avuto questa idea, siamo stati in grado di utilizzare il microscopio elettronico per confermare lo scorrimento tra i singoli strati".
I nuovi risultati hanno implicazioni per la creazione di macchine sufficientemente piccole e flessibili da interagire con cellule o materiale biologico, hanno detto i ricercatori.
"Le cellule possono cambiare forma e rispondere al loro ambiente, e se vogliamo andare nella direzione di microrobot o sistemi che hanno le capacità dei sistemi biologici, abbiamo bisogno di sistemi elettronici in grado di cambiare forma ed essere anche molto morbidi, " ha detto van der Zande. "Sfruttando lo slip intercalare, abbiamo dimostrato che il grafene può essere di ordini di grandezza più morbido dei materiali convenzionali dello stesso spessore".
