Un approccio ibrido per l'analisi e la progettazione di materiali a base di fogli di grafene
Questo nuovo approccio permette di valutare direttamente la rigidità di flessione dei fogli di grafene con difetti reticolari, offrendo spunti per la progettazione di nuovi materiali
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La teoria di Helfrich sulla flessione delle membrane, supportata da simulazioni di dinamica molecolare, è un approccio promettente per valutare le proprietà meccaniche dei fogli di grafene, riferiscono i ricercatori dell'Institute of Science di Tokyo. Questo approccio ibrido permette di valutare direttamente la rigidità di flessione dei fogli di grafene, anche in presenza di difetti reticolari, senza dover ricorrere a test sperimentali, offrendo così preziose indicazioni per la progettazione di nuovi materiali bidimensionali con proprietà meccaniche personalizzate.
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Valutazione quantitativa della rigidità a flessione di fogli di grafene con declinazioni
I fogli di grafene (GS) sono materiali bidimensionali (2D) in nano-carbonio noti per la loro notevole flessibilità, l'eccezionale resistenza meccanica e la capacità di adottare forme diverse. In particolare, introducendo anelli a 5 o 7 membri nei GS a forma di esagono, si possono formare forme coniche o a sella di cavallo. Immaginiamo un foglio di carta esagonale, diviso in sei triangoli equilateri. Rimuovendo un triangolo si crea un anello a 5 membri che, piegato, forma un cono, mentre aggiungendo un triangolo si forma un anello a 7 membri che produce una forma a sella. Queste strutture ad anello sono difetti reticolari di tipo rotazionale noti come disclinazioni.
Le disclinazioni sono state utilizzate per sviluppare diversi materiali a base di GS. Ad esempio, i GS a forma di onda chiamati egg-tray graphene, che hanno anelli periodici a 5 o 7 membri, sono noti per la loro resistenza agli urti. I GS con anelli a 7 membri sono promettenti per l'uso come nanospinte. Questi difetti reticolari hanno un effetto significativo sulla curvatura locale e sulle proprietà meccaniche dei GS, in particolare sulla loro rigidità di flessione. Mentre la rigidità di flessione delle GS piatte è stata ben studiata, quella delle GS con disclocazioni rimane poco conosciuta a causa della variabilità introdotta dalle deformazioni che rendono difficili le misurazioni precise.
Per colmare questa lacuna, un team di ricerca guidato dal professore associato Xiao-Wen Lei della School of Materials and Chemical Technology dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, ha sviluppato un nuovo approccio. "Abbiamo sviluppato un nuovo approccio ibrido, che combina le simulazioni di dinamica molecolare con la teoria di Helfrich della flessione delle membrane", spiega Lei. "Questo metodo consente di valutare direttamente la rigidità di flessione delle GS con difetti reticolari partendo dalle configurazioni atomiche, senza dover ricorrere a prove sperimentali". Il team comprendeva lo studente laureato Yushi Kunihiro e il professor Toshiyuki Fujii della Science Tokyo e il professore associato Takashi Uneyama dell'Università di Nagoya.
La teoria di Helfrich sulla flessione delle membrane descrive la flessione fuori dal piano dei materiali 2D modellando la loro curvatura in base a considerazioni energetiche. Sebbene sia stata originariamente sviluppata per analizzare i bilayer lipidici delle cellule biologiche, questa teoria è applicabile anche alle GS a causa delle somiglianze geometriche e meccaniche. Tuttavia, la soluzione analitica di questa teoria è notoriamente difficile. Per semplificare l'analisi, i ricercatori hanno applicato simulazioni di dinamica molecolare.
Utilizzando questo approccio, il team ha analizzato quattro tipi di modelli analitici di GS con disclocazioni: monopoli a disclocazione positiva (anelli a 5 membri), monopoli a disclocazione negativa (anelli a 7 membri) e dipoli a disclocazione connessa e separata che combinano i monopoli. Nei dipoli connessi, le disclinazioni positive e negative sono posizionate insieme, mentre nei dipoli separati sono distanziate a distanze variabili dai dipoli separati.
I valori di rigidità flessionale calcolati rientrano nell'intervallo ragionevole riportato in studi precedenti, evidenziando la validità dell'approccio. In particolare, i risultati hanno rivelato, per la prima volta, differenze di tendenza tra GS con monopoli e dipoli. I dipoli di disclinazione hanno mostrato una rigidità di flessione simile, una volta esclusi gli effetti non lineari. Per i dipoli, la combinazione di superfici coniche e a sella ha determinato un cambiamento locale della forma con una corrispondente variazione locale della rigidità di flessione. Inoltre, con l'aumento della distanza tra le disclocazioni, la rigidità di flessione converge verso un valore stabile, evidenziando l'importanza della densità dei difetti reticolari.
"I nostri risultati non solo offrono una base per la comprensione delle proprietà meccaniche delle GS con difetti reticolari, ma anche spunti per la progettazione di nuove GS con rigidità di flessione specifiche e proprietà meccaniche personalizzate", osserva Lei. Nel complesso, questo studio accelererà lo sviluppo di nuovi materiali basati su GS, come nano-molle e strutture di grafene resistenti agli urti, portando a materiali 2D avanzati.
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