Quando gli atomi di carbonio si accumulano in un cristallo tridimensionale perfettamente ripetuto, possono formare diamanti preziosi. Disposto in un altro modo, in fogli piatti ripetitivi, il carbonio rende la grafite grigia lucida che si trova nelle matite. Ma ci sono altre forme di carbonio che sono meno conosciute. Il carbonio amorfo, solitamente un materiale nero fuligginoso, non ha una struttura molecolare ripetitiva, il che rende difficile lo studio.

Ora, i ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno utilizzato una nuova struttura per comprendere le proprietà elettroniche del carbonio amorfo. Le loro scoperte consentono agli scienziati di prevedere meglio come il materiale conduce l'elettricità e assorbe la luce e sono state pubblicate in Proceedings of National Academy of Sciences .

"Dobbiamo capire come funziona il carbonio disordinato a livello molecolare per essere in grado di progettare questo materiale per applicazioni come la conversione dell'energia solare", ha affermato Giulia Galli, professoressa di ingegneria molecolare della famiglia Liew e professoressa di chimica all'Università di Chicago. Galli ha anche un incarico di scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory, dove è direttrice del centro MICCoM.

Per decenni, gli scienziati hanno modellato il modo in cui gli atomi si muovono nel carbonio amorfo utilizzando le leggi della meccanica classica, l'insieme di equazioni che descrivono, ad esempio, come un'auto accelera o come una palla cade nell'aria. Per alcuni atomi pesanti della tavola periodica, queste equazioni classiche sono una buona approssimazione per catturare accuratamente molte delle proprietà dei materiali. Ma per molte forme di carbonio, e in particolare per i carboni amorfi, il team guidato da Galli ha scoperto che l'uso di queste equazioni classiche per descrivere il movimento degli atomi non è sufficiente.

"Il carbonio amorfo ha molte proprietà che lo rendono prezioso per una serie di applicazioni, tuttavia modellare e simulare le sue proprietà a livello fondamentale è impegnativo", ha affermato lo studioso di ricerca post-dottorato Arpan Kundu, Ph.D., il primo autore dell'articolo.

Galli ha trascorso gli ultimi trent'anni sviluppando e applicando metodi di meccanica quantistica per modellare e simulare le proprietà di molecole e solidi. Inizialmente ha studiato il carbonio amorfo proprio all'inizio della sua carriera e recentemente è tornata alla sfida con nuove conoscenze.

Galli, Kundu e il ricercatore universitario di fisica Yunxiang (Tony) Song hanno effettuato nuove simulazioni delle proprietà elettroniche del carbonio amorfo, questa volta integrando i principi quantistici per descrivere i movimenti sia degli elettroni che dei nuclei degli atomi di carbonio. Hanno scoperto che l'uso della meccanica quantistica per entrambi, piuttosto che la meccanica classica per i nuclei, è fondamentale per prevedere con precisione le proprietà del carbonio amorfo.

Ad esempio, utilizzando i loro raffinati modelli di meccanica quantistica, il team PME ha previsto una conduttività elettrica superiore a quella che sarebbe stata altrimenti prevista.

I risultati riportati nel PNAS articolo sono utili non solo per comprendere il carbonio amorfo, ma anche altri solidi amorfi simili, hanno detto i ricercatori. Ma hanno anche sottolineato che resta ancora molto lavoro da fare:i materiali di carbonio disordinati possono mostrare proprietà radicalmente diverse a seconda della loro densità, che a sua volta dipende dal metodo utilizzato per preparare il materiale.

"Quando qualcosa è disposto in un cristallo, sai esattamente qual è la sua struttura, ma una volta che è disordinato, può essere disordinato in molti modi possibili", ha detto Kundu.

Il team prevede di continuare a studiare il carbonio amorfo e le sue potenziali applicazioni. + Esplora ulteriormente

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