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Jun 16, 2023

Grafene: la perfezione è inutile

Niente al mondo è perfetto. Ciò vale anche per la ricerca sui materiali. Nelle simulazioni al computer, spesso si rappresenta un sistema in modo altamente idealizzato; ad esempio si calcolano le proprietà

Niente al mondo è perfetto. Ciò vale anche per la ricerca sui materiali. Nelle simulazioni al computer, spesso si rappresenta un sistema in modo altamente idealizzato; si calcolano ad esempio le proprietà che avrebbe un cristallo assolutamente perfetto. In pratica, però, abbiamo sempre a che fare con effetti aggiuntivi: con difetti nel reticolo cristallino, con particelle aggiuntive che si attaccano al materiale, con complicate interazioni tra le particelle. La domanda cruciale è quindi: questi inevitabili effetti aggiuntivi modificano le proprietà dei materiali oppure no?

Ciò è particolarmente interessante nel caso del materiale bidimensionale grafene, che consiste di un solo strato di atomi di carbonio. È noto da tempo che il grafene ha eccellenti proprietà elettroniche. Tuttavia, fino ad ora non era chiaro quanto fossero stabili queste proprietà. Vengono distrutti da disturbi ed effetti aggiuntivi, che nella pratica sono inevitabili, oppure rimangono intatti? TU Vienna (Vienna)ora ci è riuscito nello sviluppo di un modello computerizzato completo di strutture realistiche di grafene. Si è scoperto che gli effetti desiderati sono molto stabili. Anche i pezzi di grafene che non sono del tutto perfetti possono essere utilizzati bene per applicazioni tecnologiche. Questa è una buona notizia per la comunità globale del grafene.

"Calcoliamo su scala atomica come si propaga la corrente elettrica in un minuscolo pezzo di grafene", afferma il professor Florian Libisch dell'Istituto di fisica teorica della TU Vienna. "Ci sono diversi modi in cui un elettrone può muoversi attraverso il materiale. Secondo le regole della fisica quantistica, non è necessario che scelga uno di questi percorsi; l'elettrone può seguire più percorsi contemporaneamente."

Questi diversi percorsi possono poi sovrapporsi in modi diversi. A valori energetici molto specifici, i percorsi si annullano a vicenda; a questa energia, la probabilità che gli elettroni passino attraverso il pezzo di grafene è molto bassa e la corrente elettrica è minima. Questa si chiama "interferenza distruttiva".

"Il fatto che il flusso di corrente diminuisca drasticamente a valori energetici molto specifici per ragioni di fisica quantistica è un effetto altamente desiderabile dal punto di vista tecnologico", spiega Libisch. "Questo può essere utilizzato, ad esempio, per elaborare informazioni su una scala di dimensioni ridotte, simile a ciò che fanno i componenti elettronici nei chip dei computer."

Si può anche usarlo per sviluppare nuovi sensori quantistici: supponiamo che un pezzo di grafene non conduca praticamente alcuna corrente. Poi, all'improvviso, una molecola dall'esterno si attacca alla superficie del grafene. "Questa molecola modifica leggermente le proprietà elettroniche del pezzo di grafene, e questo può già essere sufficiente per aumentare improvvisamente il flusso di corrente in modo abbastanza drastico", afferma il dottor Robert Stadler. "Questo potrebbe essere utilizzato per realizzare sensori estremamente sensibili."

Ma gli effetti fisici che giocano un ruolo nei dettagli sono molto complicati: "La dimensione e la forma del pezzo di grafene non sono sempre le stesse, e ci sono interazioni a molti corpi tra diversi elettroni che sono molto difficili da calcolare matematicamente. Potrebbero esserci in alcuni punti ci sono atomi aggiuntivi indesiderati e gli atomi oscillano sempre un po': tutto ciò deve essere preso in considerazione per poter descrivere il materiale grafene in modo veramente realistico", afferma il Dott. Angelo Valli.

Questo è esattamente ciò che è stato ottenuto alla TU Wien: Valli, Stadler, Thomas Fabian e Libisch hanno anni di esperienza nel descrivere correttamente i diversi effetti dei materiali nei modelli computerizzati. Unendo le loro competenze, ora sono riusciti a sviluppare un modello computerizzato completo che include tutte le fonti di errore rilevanti e gli effetti di perturbazione presenti nei grafici. E così hanno potuto dimostrare: anche in presenza di queste fonti di errore gli effetti desiderati sono ancora visibili. È ancora possibile trovare una certa energia alla quale la corrente scorre solo in misura molto piccola a causa degli effetti quantistici. Gli esperimenti avevano già dimostrato che ciò è plausibile, ma finora mancava un'indagine teorica sistematica.