A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

Il carbonio ha un talento unico per costruire il futuro. Dalla grafite di una matita al diamante in un anello, questo singolo elemento può organizzarsi in strutture con personalità molto diverse. Nel mondo della nanotecnologia, gli scienziati sono da tempo affascinati da due forme specifiche composte da atomi di carbonio: minuscoli tubi e rotoli a spirale. Queste strutture sono apprezzate per la loro incredibile forza e capacità di condurre elettricità, rendendole potenziali candidate per tutto, dai chip per computer più veloci a pannelli solari più efficienti. Tuttavia, le versioni più perfette di queste forme sono spesso difficili da fabbricare senza difetti. Recentemente, i ricercatori hanno scoperto un modo per creare un nuovo tipo di materiale di carbonio che è naturalmente disordinato, composto da anelli di atomi che variano in dimensione invece di formare un modello perfetto e ripetitivo. Questo materiale, noto come carbonio amorfo, offre una strada diversa da seguire. La grande domanda per gli scienziati era se questo carbonio disordinato e irregolare potesse ancora reggere quando arrotolato in un tubo o in uno scroll, e come la sua forza si sarebbe confrontata con le versioni perfettamente ordinate che già conosciamo.

Un team di ricercatori brasiliani si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito creando una simulazione computerizzata dettagliata di questi nuovi materiali. Non hanno costruito tubi fisici in un laboratorio; al contrario, hanno utilizzato un potente modello digitale per osservare come i singoli atomi si comportano sotto condizioni estreme. Sono partiti da un foglio piatto di questo nuovo carbonio amorfo sintetizzato, un materiale composto da anelli mescolati casualmente di cinque, sei, sette e otto atomi. Da questo foglio, hanno costruito virtualmente due forme: un nanotubo, che è un cilindro, e un nanoscroll, che appare come un foglio di carta arrotolato con estremità aperte. Per testare i loro limiti, i ricercatori hanno sottoposto queste strutture digitali a due tipi di stress. Primo, le hanno tirate per vedere quanto potessero allungarsi prima di rompersi. Secondo, le hanno riscaldate per vedere a quale temperatura si sarebbero fuse e sarebbero cadute a pezzi. Confrontando queste versioni amorfe rispetto alle loro controparti perfette e ordinate, il team sperava di capire se il disordine naturale del materiale le avrebbe rese deboli o se avrebbero potuto resistere alle richieste delle applicazioni del mondo reale.

I risultati della simulazione hanno rivelato una differenza affascinante nel modo in cui questi materiali gestiscono l'essere tirati. Quando i tubi e gli scroll perfetti e ordinati venivano allungati, resistevano fermamente fino a raggiungere un punto critico, al quale si spezzavano improvvisamente e in modo netto. Le versioni amorfe, tuttavia, si comportavano diversamente. Prima di rompersi definitivamente, entravano in una strana fase non elastica in cui iniziavano a deformarsi in un modo in cui le strutture perfette non facevano. Durante questo processo di allungamento, i ricercatori hanno osservato la formazione di minuscole catene lineari di atomi di carbonio all'interno del materiale, un segno che la struttura interna si stava riorganizzando sotto pressione. In termini di forza, le strutture ordinate erano più robuste. I nanotubi ordinati potevano allungarsi di circa il 48 percento della loro lunghezza originale, mentre i nanotubi amorfi si spezzavano intorno al 27 percento. Allo stesso modo, gli scroll ordinati resistevano fino a circa il 34 percento di allungamento, mentre quelli amorfi fallivano a circa il 24 percento. Ciò conferma che, sebbene il materiale disordinato sia ancora forte, non è esattamente così resiliente alla tensione come la versione impeccabile.

La scoperta forse più sorprendente è stata che la forma dell'oggetto contava meno per il materiale amorfo rispetto a quanto non facesse per quello perfetto. Per le strutture ordinate, essere un tubo o uno scroll faceva una enorme differenza nel modo in cui reagivano allo stress, suggerendo che la geometria della forma giochi un ruolo fondamentale nel loro comportamento. Per le versioni amorfe, tuttavia, il tubo e lo scroll agivano quasi allo stesso modo. Il disordine interno degli atomi sembrava sovrastare l'influenza della forma, rendendo il disordine il fattore dominante nel comportamento del materiale. Ciò suggerisce che quando gli atomi di carbonio sono disposti casualmente, il modo specifico in cui vengono arrotolati diventa meno importante del fatto che siano disordinati in primo luogo.

Lo studio ha anche esaminato quanto bene queste strutture potessero sopravvivere a un calore intenso. I ricercatori hanno riscaldato i modelli digitali dalla temperatura ambiente fino a 10.000 Kelvin, una temperatura molto più calda della superficie del sole. Hanno osservato per vedere quando le strutture solide avrebbero perso la loro forma e si sarebbero trasformate in uno stato simile a un gas. I nanotubi ordinati si sono dimostrati i più resistenti al calore, sopravvivendo fino a 6.300 Kelvin prima di fondersi. I nanotubi amorfi erano leggermente meno stabili, fondendosi a 5.500 Kelvin. Gli scroll, sia ordinati che disordinati, erano meno stabili dei tubi, fondendosi rispettivamente a 5.900 Kelvin e 5.100 Kelvin. Ciò indica che, sebbene le strutture amorfe siano leggermente meno resistenti al calore rispetto alle loro controparti perfette, possiedono comunque una straordinaria stabilità termica, essendo capaci di sopportare temperature che distruggerebbero la maggior parte degli altri materiali.

In definitiva, questo lavoro fornisce un quadro chiaro di come un nuovo, disordinato tipo di carbonio si comporti quando modellato in nanostrutture utili. Le simulazioni mostrano che, sebbene questi tubi e scroll amorfi non siano forti o resistenti al calore quanto le versioni perfette, sono comunque incredibilmente robusti. Il fatto che il disordine nel materiale renda la forma meno rilevante potrebbe essere in realtà un vantaggio per la produzione, poiché potrebbe consentire maggiore flessibilità nel modo in cui questi materiali vengono prodotti, senza la necessità di mantenere un arrangiamento atomico perfetto. La ricerca conferma che questo carbonio recentemente sintetizzato è un candidato praticabile per le tecnologie future, offrendo un equilibrio di forza e stabilità che potrebbe integrare l'esistente famiglia di nanomateriali a base di carbonio.