L'effetto fisarmonica rende il grafene estensibile
Nuova proprietà del grafene rivelata da una misurazione ultra-pulita senza aria Ambiente
Il grafene è un "materiale miracoloso": meccanicamente estremamente forte ed elettricamente altamente conduttivo, ideale per applicazioni correlate. Utilizzando un metodo unico al mondo, i fisici dell'Università di Vienna guidati da Jani Kotakoski hanno reso per la prima volta il grafene drasticamente più estensibile, increspandolo come una fisarmonica. Questo apre la strada a nuove applicazioni in cui è richiesta una certa estensibilità (ad esempio l'elettronica indossabile). In collaborazione con l'Università di Tecnologia di Vienna, il meccanismo esatto di questo fenomeno è stato rivelato e pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
La prima prova sperimentale del grafene, nel 2004, ha dato vita a una classe di materiali completamente nuova, i cosiddetti solidi bidimensionali (2D). Il loro nome deriva dal fatto che sono costituiti da un solo strato di atomi, dando origine a proprietà esotiche che potrebbero essere utili in vari campi di applicazione. Il grafene, ad esempio, si distingue per l'enorme conduttività elettrica, ma è anche molto rigido. Questa estrema rigidità è il risultato della disposizione a nido d'ape degli atomi nel materiale. Intuitivamente, la rimozione di alcuni atomi dal materiale insieme ai loro legami dovrebbe portare a una riduzione della rigidità. Tuttavia, gli studi scientifici hanno riportato sia una leggera riduzione che un aumento significativo.
Queste contraddizioni sono state ora chiarite grazie a nuove misurazioni condotte dai ricercatori del gruppo guidato da Jani Kotakoski dell'Università di Vienna. Gli esperimenti sono stati condotti con dispositivi all'avanguardia che condividono lo stesso ambiente ultra-pulito senza aria. Ciò consente di trasportare i campioni tra i diversi dispositivi senza mai essere esposti all'aria ambiente. "Questo sistema unico che abbiamo sviluppato all'Università di Vienna ci permette di esaminare i materiali 2D senza interferenze", spiega Jani Kotakoski. Wael Joudi, primo autore dello studio, aggiunge: "Per la prima volta questo tipo di esperimento è stato condotto con il grafene completamente isolato dall'aria ambiente e dalle particelle estranee che contiene. Senza questa separazione, queste particelle si sarebbero rapidamente depositate sulla superficie influenzando la procedura dell'esperimento e le misurazioni".
In effetti, l'attenzione alla pulizia meticolosa della superficie del materiale ha portato alla scoperta del cosiddetto effetto fisarmonica per quanto riguarda la rigidità del grafene: già la rimozione di due atomi vicini porta a un rigonfiamento percettibile del materiale inizialmente piatto. Più rigonfiamenti insieme danno luogo a un'ondulazione del materiale: "Si può immaginare come una fisarmonica. Quando viene separato, il materiale ondulato si appiattisce, il che richiede una forza molto minore rispetto allo stiramento del materiale piatto, che diventa quindi più estensibile", spiega Wael Joudi. Le simulazioni effettuate dai fisici teorici Rika Saskia Windisch e Florian Libisch dell'Università di Tecnologia di Vienna confermano sia la formazione di onde che la conseguente estensibilità.
Gli esperimenti hanno anche dimostrato che le particelle estranee presenti sulla superficie del materiale non solo annullano questo effetto, ma portano al risultato opposto. In particolare, la loro influenza fa apparire il materiale più rigido, il che spiega anche le contraddizioni del passato. "Questo dimostra l'importanza dell'ambiente di misura quando si tratta di materiali 2D. I risultati aprono la strada alla regolazione della rigidità del grafene, aprendo così la strada a potenziali applicazioni", conclude Wael Joudi.
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