I ricercatori della Rice University dimostrano che le nanorughe di grafene possono modificare il flusso elettrico
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I ricercatori della Rice University hanno dimostrato che minuscole pieghe nel grafene possono modificare le proprietà elettriche del materiale, fornendo prove a sostegno della flesselettricità, un fenomeno in cui un materiale genera una carica elettrica quando viene piegato in modo non uniforme. I risultati sono stati pubblicati su *Advanced Materials*.
I ricercatori della Rice University hanno dimostrato che minuscole increspature nel grafene possono modificare le proprietà elettriche del materiale.
Image courtesy of Ajayan lab/Rice University
La scoperta suggerisce che gli scienziati potrebbero essere in grado di controllare l’elettricità in materiali di spessore atomico modificandone la forma, anziché aggiungere nuove sostanze chimiche o materiali. Questo approccio potrebbe un giorno portare alla realizzazione di sensori più sensibili e dispositivi elettronici ultrasottili.
«Il nostro lavoro dimostra che anche una semplice piega può diventare una straordinaria caratteristica elettronica se osservata su scala atomica», ha affermato Pulickel Ajayan, titolare della cattedra Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson di Ingegneria e coautore corrispondente dello studio. «Dimostrando che la sola geometria può rimodellare il comportamento elettrico del grafene, apriamo una nuova strada per la progettazione di materiali le cui proprietà possano essere controllate attraverso la struttura piuttosto che la chimica».
Osservando da vicino le minuscole rughe
Il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo. In questo lavoro, il team ha esaminato rughe formatesi naturalmente con pieghe compresse in spazi inferiori a un miliardesimo di metro, dove l’estrema curvatura può spostare gli elettroni verso un lato del materiale.
«Immaginate di piegare un righello flessibile, ma con la piega compressa in uno spazio inferiore a un miliardesimo di metro», ha spiegato Sathvik Ajay Iyengar, ex dottorando della Rice University e autore principale dello studio. «A quella scala, gli elettroni nel grafene si spostano leggermente verso un lato, creando due poli elettrici opposti come le estremità di una minuscola batteria».
Il team di ricerca ha utilizzato sonde microscopiche specializzate per misurare la forma delle pieghe, l’energia elettrica locale e la corrente elettrica. Ha inoltre impiegato la spettroscopia Raman, una tecnica basata sul laser che rivela come gli atomi vengono allungati o compressi, insieme a simulazioni al computer che hanno previsto come la curvatura modifichi il movimento degli elettroni. Il confronto tra le pieghe fortemente curve e il grafene piatto adiacente ha permesso al team di isolare gli effetti della curvatura.
«Gli studi precedenti spesso esaminavano curvature più lievi o si basavano su pressioni esterne, rendendo difficile isolare questo effetto sottile», ha affermato Iyengar. «Il confronto tra le pieghe fortemente curve e il grafene piatto ci ha permesso di identificare chiaramente il ruolo della curvatura estrema».
La forma modifica il comportamento elettrico
I ricercatori hanno scoperto che le pieghe agivano come file di minuscoli dossi elettrici. Le loro estremità fortemente curve modificavano l’energia elettrica locale e producevano costantemente una corrente elettrica una volta applicata una tensione di circa un volt, in linea con le previsioni dei modelli al computer.
La risposta elettrica dipendeva dall’acutezza delle pieghe piuttosto che dalla loro altezza. I ricercatori hanno stimato che la separazione delle cariche elettriche risultante, chiamata polarizzazione, fosse da 100.000 a 10 milioni di volte più forte rispetto a quella osservata in sistemi flessioelettrici molto più grandi. La polarizzazione è la separazione delle cariche elettriche positive e negative all’interno di un materiale.
«La nitidezza della piega si è rivelata molto più importante delle sue dimensioni complessive», ha affermato Iyengar. «Questo ci indica che potremmo potenzialmente regolare il comportamento elettrico controllando attentamente la curvatura su scala nanometrica».
Dalla previsione alla prova
La scoperta risale al 2008, quando il fisico teorico Vincent Meunier predisse che piegando bruscamente il grafene si sarebbe potuto riorganizzare la disposizione dei suoi elettroni e produrre una risposta elettrica. Meunier, attualmente titolare della cattedra P. B. Breneman e direttore del Dipartimento di Scienze Ingegneristiche e Meccanica presso la Pennsylvania State University, è coautore corrispondente dello studio. All’epoca, misurare l’effetto su pieghe larghe solo pochi atomi era estremamente difficile.
Anni dopo, Iyengar ha riesaminato i dati che aveva raccolto insieme a Manoj Tripathi, coautore corrispondente dell’Università del Sussex e ora presso la South Dakota Mines, e ha individuato segnali elettrici insoliti nelle pieghe più accentuate del grafene. Ha sottoposto i risultati a Meunier, che aveva co-seguito il suo lavoro di dottorato.
«Quando Sathvik mi ha mostrato le misurazioni che lui e Manoj avevano raccolto, ci siamo resi conto che quei segnali insoliti potevano fornire un collegamento sperimentale con un’idea che avevamo previsto molti anni prima», ha affermato Meunier. «Unire gli esperimenti ai calcoli su scala atomica ci ha permesso di verificare direttamente tale collegamento».
Creare nuove possibilità per l’elettronica
I ricercatori hanno affermato che i risultati potrebbero aiutare gli scienziati a indagare se il controllo della curvatura delle pieghe del grafene possa fornire un modo per regolare il comportamento elettrico del materiale. Tale approccio potrebbe, a lungo termine, favorire lo sviluppo di sensori più sensibili e di dispositivi elettronici ultrasottili.
«La natura crea già queste minuscole pieghe per noi», ha affermato Iyengar. «Comprendere come influenzano il comportamento elettrico offre agli scienziati un ulteriore strumento per progettare le tecnologie del futuro sfruttando la struttura stessa del materiale».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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