Un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio a celle pentagonali avrebbe caratteristiche meccaniche ed elettriche eccezionali, superiori a quelle del grafene a celle esagonali. È quanto emerge da una simulazione condotta al computer che lascia intravedere possibili applicazioni nel campo dell’elettronica(red)
Le straordinarie proprietà ottiche e meccaniche del grafene, un materiale costituito da uno strato di spessore monoatomico di soli atomi di carbonio, potrebbero essere superate, con grandi vantaggi per le applicazioni, da un nuovo materiale: il pentagrafene.
Si tratta di una variante strutturale del grafene, la cui sintesi è stata simulata in uno studio pubblicato sulla rivista "Proceedings of the National Academy of Sciences" a firma di Shunhong Zhang della Peking University a Pechino e colleghi di una collaborazione tra istituti cinesi e giapponesi.
Rappresentazione schematica della tassellatura del Cairo a celle pentagonali (Credit: TED-43/Wikimedia Commons)La maggior parte delle nanostrutture di carbonio, come i nanotubi o lo stesso grafene, si formano a partire da unità elementari di blocchi esagonali regolari, in cui ogni atomo forma tre legami con altrettanti atomi adiacenti separati da angoli di 120 gradi. Questa struttura regolare si realizza in forma perfetta solo in situazioni ideali: nella realtà, gli esagoni si trovano intervallati di tanto in tanto da difetti topologici a forma di pentagoni.
Zhang e colleghi hanno provato a immaginare uno strato monoatomico con una struttura unitaria diversa, applicando agli atomi di carbonio uno dei tipici problemi matematici di “tassellatura” (tiling), in cui si cerca di rivestire una superficie piana con una o più forme geometriche senza lasciare spazi e senza sovrapposizioni, un po’ come si fa nella piastrellatura delle superfici in edilizia.
Nel caso del carbonio, una delle soluzioni possibili è data da una tassellatura a pentagoni, uniti a formare un disegno che si ritrova nella tradizionale pavimentazione delle strade del Cairo, in Egitto.
Grazie a un modello computerizzato di dinamica molecolare, Zhang e colleghi hanno simulato la sintesi di uno strato monoatomico composto interamente da celle pentagonali, ottenendo risultati molto interessanti per le possibili applicazioni.
In primo luogo il pentagrafene sarebbe termicamente stabile, e potrebbe sopportare temperature che arrivano a 1000 kelvin. Inoltre, il pentagrafene avrebbe anche una resistenza meccanica elevatissima.
Un'altra caratteristica ancora più importante è la presenza nel pentagrafene di un gap di banda intrinseco, cioè un intervallo di energia proibito agli elettroni, che lo renderebbe del tutto simile a un semiconduttore e quindi adatto alla realizzazione di circuiti elettronici.
Per gli impieghi pratici il pentagrafene dovrebbe essere però manipolato in modo da formare strutture tridimensionali. Le simulazioni di Zhang e colleghi indicano che i fogli di pentagrafene potrebbero essere arrotolati a formare nanotubi di carbonio oppure impilati. In questi casi le caratteristiche chimico-fisiche sarebbero addirittura superiori a quelle del singolo strato.
