Utilizzando un particolare metodo di accoppiamento di due layer di grafene, si è riusciti ad ottenere uno strato biatomico chiamato diamene con proprietà di durezza e rigidità simili a quelle del diamante.
Visionari offre ai lettori di AI4Business la traduzione di un articolo apparso su NextBigFuture in cui si parla delle nuove frontiere della ricerca sui nuovi materiali, in questo caso sulla scoperta del diamene dall’accoppiamento di due strati di grafene, un nuovo strato biatomico con proprietà di durezza e rigidità simili a quelle del diamante.
Gli scienziati dell’Advanced Science Research Center (ASRC) del Graduate Center, CUNY, hanno lavorato per teorizzare e testare come due strati di grafene – ciascuno spesso un atomo – potessero essere combinati per trasformarsi in un materiale simile al diamante in caso di impatto a temperatura ambiente. Il team ha anche analizzato il momento della conversione che ha portato ad una riduzione improvvisa di corrente elettrica, suggerendo che il diamene potrebbe avere interessanti proprietà elettroniche e spintroniche. Le nuove scoperte avranno probabilmente applicazioni nello sviluppo di rivestimenti protettivi resistenti all’usura e film ultraleggeri antiproiettile.
«Questo è il film più sottile mai creato con la rigidità e la durezza del diamante», ha dichiarato Elisa Riedo, professoressa di fisica all’ASRC e ricercatrice capofila del progetto. «In precedenza, testando la grafite o un singolo strato atomico di grafene, applicavamo pressione e percepivamo un film molto morbido. Ma quando è stata la volta della pellicola di grafite spessa esattamente due strati, all’improvviso ci siamo resi conto che il materiale sotto pressione stava diventando estremamente duro e rigido come il diamante grezzo – o anche più rigido».
Angelo Bongiorno, professore associato di chimica presso il CUNY College of Staten Island e membro del team di ricerca, ha sviluppato la teoria per la creazione del diamene. Lui e i suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni, tramite computer, a livello atomico, per modellare i potenziali risultati quando si pressurizzavano due strati di grafene a nido d’ape allineati in diverse configurazioni. Riedo e altri membri del team hanno poi utilizzato un microscopio a forza atomica per applicare una pressione localizzata al grafene a due strati su substrati in carburo di silicio e hanno trovato un perfetto accordo con i calcoli. Esperimenti e teoria mostrano entrambi che questa transizione grafite-diamante non si verifica per più di due strati o per un singolo strato di grafene.
«La grafite e i diamanti sono entrambi realizzati interamente in carbonio, ma gli atomi sono disposti diversamente in ogni materiale, dando loro proprietà distinte come durezza, flessibilità e conduzione elettrica»‚ ha dichiarato Bongiorno. «La nostra nuova tecnica ci permette di manipolare la grafite in modo che possa assumere le proprietà benefiche di un diamante in determinate condizioni».
Il lavoro di successo del team di ricerca offre la possibilità di studiare la transizione di fase grafite-diamante in materiali bidimensionali, secondo l’articolo (Nature Nanotechnology – Film ultra duro in carbonio da grafene epitassiale a due strati A. de Heer, Erio Tosatti, Elisa Riedo & Angelo Bongiorno). La ricerca futura potrebbe esplorare metodi per stabilizzare la transizione e consentire ulteriori applicazioni per i materiali risultanti.
Il grafene atomicamente sottile presenta affascinanti proprietà meccaniche, anche se la sua durezza e rigidità trasversale sono inferiori a quelle del diamante. Finora non vi è stata alcuna dimostrazione pratica della trasformazione del grafene multistrato in strutture ultradure simili a diamanti. Si è dimostrato che a temperatura ambiente e dopo nano-indentazione, il grafene a due strati su SiC (0001) presenta una rigidità e durezza trasversale paragonabile al diamante, è resistente alla perforazione con un trapano diamantato e mostra una diminuzione reversibile della conducibilità elettrica in prossimità delle indentazioni.
I calcoli della teoria funzionale della densità suggeriscono che, in compressione, il film di grafene a due strati si trasforma in un film diamantato, producendo sia deformazioni elastiche che ibridazione chimica da sp2 a sp3. Esperimenti e calcoli dimostrano che questa trasformazione di assetto reversibile non è osservata per un singolo strato tampone su pellicole SiC o grafene spesse da tre a cinque strati. Infatti, i calcoli mostrano che, mentre nella configurazione a due strati di grafene, l’accoppiamento degli strati controlla la conformazione del film diamantato, in un film multistrato ne ostacola la trasformazione in fase.
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