Dimentica i nanotubi di grafene e carbonio, preparati per il Diamond Nanothread

Non passa quasi una settimana senza che qualcuno proclami una nuova applicazione per il grafene, la forma di carbonio che si trova in fogli singoli con una struttura simile a un filo di pollo (vedi Suggerimenti di ricerca sul potenziale fotovoltaico del grafene). Arrotola un foglio di grafene in un tubo e forma un nanotubo di carbonio, un altro materiale meraviglioso con numerose applicazioni. E avvolgerlo ulteriormente in una palla e, con un piccolo riarrangiamento di legami, forma buckyballs.

Ora c'è un nuovo ragazzo sul blocco di carbonio. Il mese scorso, un team della Pennsylvania State University e altrove ha annunciato di aver creato un altro tipo di carbonio che assume la forma di un cristallo di diamante unidimensionale ricoperto di idrogeno. Chiamano questo nuovo materiale nanothread di diamante.

Ciò ha causato una raffica di eccitazione e ha sollevato alcune domande interessanti. Gli scienziati dei materiali sono affascinati dalle potenziali proprietà di un nanofilo di diamante e dalle sue applicazioni. Ma un timore è che un filo del genere sia così fragile da frantumarsi come vetro sotto qualsiasi tipo di carico, una proprietà che ne limiterebbe gravemente l'uso.

Oggi, abbiamo una nuova visione dei nanofili di diamante grazie al lavoro di Haifei Zhan presso la Queensland University of Technology in Australia e ad alcuni amici. Questi ragazzi hanno modellato i fili usando simulazioni di dinamica molecolare su larga scala. E concludono che il materiale potrebbe essere più versatile di quanto si pensasse. Ci sono segnali che indicano che il nanothread di diamante potrebbe essere un nuovo materiale meraviglioso a sé stante.

Il team di Penn State ha prodotto il nanothread da molecole di benzene, semplici anelli di atomi di carbonio. Non è difficile vedere come una pila di questi possa legarsi in un modo che forma un filo.

Ed è esattamente quello che ha fatto il team di Penn State. Hanno impilato le molecole in una linea, l'hanno messa sotto pressione in modo che le molecole polimerizzassero e, voilà, hanno creato un nanofilo di diamante.

Sembra semplice in teoria, ma la complessità deriva dal modo in cui gli atomi di carbonio possono legarsi. Sono possibili varie configurazioni e la domanda su cui Zhan e co indagano è come le proprietà del filo dipendano da queste disposizioni.

In particolare, Zhan e compagni esaminano le due configurazioni più comuni. Il primo è il semplice benzene polimerizzato, una pila di questi anelli legati insieme. Questa è una molecola rigida che diventa sempre più fragile man mano che si allunga. Costruire qualsiasi cosa complessa con lunghe sezioni di polibenzene sarebbe come provare a cucire come spaghetti crudi.

Ma esiste un'altra configurazione di atomi di carbonio nota come difetti di Stone-Wales, e questi sono molto più malleabili. Infatti, i difetti di Stone-Wales agiscono come cardini che collegano sezioni di polibenzene.

Zhan e co simulano come le proprietà del nanothread variano all'aumentare della densità di questi difetti. E concludono che quando la densità supera una determinata soglia, il filo cambia improvvisamente da fragile a completamente flessibile, un po' come la differenza tra spaghetti crudi e cotti.

È un risultato interessante. Implica che la proprietà del nanothread può essere regolata semplicemente controllando la densità dei difetti di Stone-Wales lungo la sua lunghezza. Quindi alcune parti del filo possono essere rese rigide, mentre altre sono completamente flessibili.

E le potenziali applicazioni? La sua duttilità altamente sintonizzabile insieme alla sua densità ultraleggera e all'alto modulo di Young rendono il nanofilo di diamante ideale per la creazione di nano-architetture tridimensionali estremamente resistenti, affermano Zhan e co.

Naturalmente, questo lavoro è solo una simulazione. Quasi sicuramente ci saranno differenze tra le sue previsioni e il comportamento dei nanofili di diamante nel mondo reale. Quindi il prossimo passo sarà che gli scienziati dei materiali creino alcuni kit di costruzione di nanofili e inizieranno a misurare le proprietà di questo materiale per davvero.

Dato l'enorme interesse per l'architettura del carbonio e le ingenti somme di denaro che vengono riversate in quest'area - la sola Unione Europea ha un progetto di ricerca da 1 miliardo di euro incentrato esclusivamente sul grafene - sicuramente non passerà molto tempo prima che vedremo nanofili di diamante nella carne e alcune delle straordinarie applicazioni che dovrebbe rendere possibili.

Rif: arxiv.org/abs/1511.01583 : Da fragile a duttile: una duttilità dipendente dalla struttura di Diamond Nanothread

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