Uno schema che descrive i modelli utilizzati in questo lavoro per simulare la crescita dai grani che vengono seminati sui substrati prima della crescita. I ricercatori hanno esaminato la crescita sia dei film chiusi che dei film porosi. Credito:OIST
Nelle società odierne, la parola "diamante" richiama alla mente una serie di immagini. Implica storie di forza, ricchezza e status. Ma togli queste associazioni e gli usi scientifici del materiale vengono rivelati. I diamanti sono trasparenti, estremamente rigidi e non rappresentano alcun pericolo per i tessuti viventi. Recentemente, i ricercatori hanno iniziato a coltivare film di diamanti policristallini ultrasottili nei laboratori. Questi film, che hanno molte delle proprietà delle gemme di diamante, potrebbero avere una serie di applicazioni biomediche e di sensori. Inoltre, essendo realizzati in carbonio, non richiedono materiali costosi o di difficile reperimento.
Lo scienziato del personale Dr. Stoffel Janssens, della Mechanics and Materials Unit presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), ha simulato la crescita di film di diamanti policristallini sia porosi che chiusi. Le pellicole porose di diamante, quelle con fori sparsi in tutto il film, potrebbero un giorno essere utilizzate come piattaforme per la crescita di neuroni e altre cellule. Le simulazioni sono state un successo, rivelando interessanti strutture geometriche all'interno dei film e risultando in una pubblicazione su Acta Materiali .
"Le simulazioni ci hanno fornito una visione promettente di ciò che potremmo essere in grado di fare nel nostro laboratorio", ha spiegato il dott. Janssens. "Le pellicole porose attualmente richiedono tecniche complicate da realizzare. Vogliamo essere in grado di crearle in un modo semplice ed economico. Le simulazioni hanno fatto luce su quanto tempo dovremmo far crescere le pellicole, quanto dovrebbero essere grandi i grani e quali possiamo aspettarci dai risultati."
Per far crescere film di diamante policristallino, i grani di nano-diamante vengono seminati su un substrato. Nelle giuste condizioni, questi grani cresceranno in cristalliti di diamante colonnari che poi si espandono per connettersi tra loro. Nel tempo, queste connessioni si rafforzano, risultando in un materiale robusto. Le simulazioni bidimensionali hanno permesso al Dr. Janssens e ai suoi collaboratori di osservare le conseguenze dettagliate della variazione della dimensione del grano e della distribuzione iniziale del grano. Hanno scoperto che quando una pellicola di diamante cresce, i bordi dei grani che si formano tra i grani creano un diagramma ben noto.
"Si chiama diagramma di Voronoi", ha spiegato il dottor Janssens. "È noto ai ricercatori in molte aree diverse della scienza e dell'ingegneria, dai biologi che modellano le strutture cellulari e ossee agli epidemiologi che cercano di identificare la fonte di un'infezione agli ecologisti che studiano i modelli di crescita della volta delle foreste".
Quando i ricercatori hanno cambiato la densità del grano, sono emerse diverse variazioni del diagramma. Le simulazioni mostrano che un'elevata densità iniziale di grani porta a un diagramma che ricorda un modello a nido d'ape con pori distribuiti uniformemente sulla pellicola, mentre una densità iniziale inferiore di grani porta a distribuzioni dei pori meno uniformi.
Il Dr. Janssens ha anche esaminato le transizioni topologiche che si verificano in diverse fasi durante la crescita di un film. La prima transizione notevole si verifica quando tutti i grani sono collegati, formando una pellicola porosa. La seconda transizione notevole si verifica quando i grani sono fortemente collegati, formando un film chiuso senza fori di spillo. Basandosi sulle loro simulazioni, i ricercatori hanno studiato il tasso di sopravvivenza dei buchi di spillo ed esplorato strategie per ridurre al minimo la possibilità che fossero presenti in un film finale chiuso.
"Le simulazioni di film di diamante policristallino contribuiscono al campo della teoria della percolazione continua", ha spiegato il Prof. Eliot Fried, Principal Investigator dell'Unità di Meccanica e Materiali dell'OIST. "Oltre a fornire spunti pratici che dovrebbero contribuire alla crescita efficiente di questi film in un ambiente di laboratorio, questa ricerca ha migliorato la nostra comprensione delle questioni topologiche e geometriche sottostanti relative alla crescita di film policristallini di diamante e vari altri materiali. Non vediamo l'ora per applicare le nostre scoperte allo sviluppo di film che possono essere utilizzati per la scienza biomedica, i dispositivi quantistici e altre applicazioni". + Esplora ulteriormente
