On the Thermomechanical Properties and Fracture Patterns of the Novel Nonbenzenoid Carbon Allotrope (Biphenylene Network): A Reactive Molecular Dynamics Study
Questo studio impiega simulazioni di dinamica molecolare reattiva per rivelare che la nuova rete di bifenilene (BPN) esibisce proprietà termomeccaniche eccezionali paragonabili al grafene, inclusi un modulo di Young di ~1019,4 GPa e un punto di fusione di ~4024 K, dimostrando al contempo un processo di frattura inelastica unico e dipendente dalla direzione che coinvolge quattro distinte transizioni morfologiche le quali sono soppresse dalla presenza di nanocracks.
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Il carbonio è da tempo la stella della scienza dei materiali, celebre per la sua capacità di formare strutture incredibilmente forti e versatili. Per decenni, il membro più celebrato di questa famiglia è stato il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un perfetto schema a nido d'ape. Questo materiale è rinomato per essere quasi indistruttibile e un eccellente conduttore di elettricità, portando gli scienziati a credere che potesse rivoluzionare tutto, dall'elettronica all'accumulo di energia. Tuttavia, il grafene ha un limite significativo: manca di un gap energetico naturale, il che lo rende difficile da utilizzare in molti tipi di chip informatici e dispositivi basati sulla luce. Questa sfida ha spinto i ricercatori a cercare nuovi modi per disporre gli atomi di carbonio, sperando di creare materiali che mantengano la forza del grafene acquisendo al contempo nuove capacità elettroniche. Recentemente, una nuova struttura di carbonio bidimensionale chiamata rete di bifenilene è stata creata con successo in laboratorio, offrendo una fresca alternativa al classico design a nido d'ape.
Questo nuovo materiale appare molto diverso dal grafene. Invece di una griglia uniforme di anelli a sei lati, è un mosaico composto da anelli di atomi di carbonio a quattro, sei e otto lati fusi insieme. Sebbene gli scienziati avessero già studiato come questa nuova struttura si comporta elettronicamente, non comprendevano ancora come avrebbe resistito allo stress fisico o al calore. Per rispondere a queste domande, un team di ricercatori ha utilizzato potenti simulazioni al computer per osservare come il materiale reagisce quando viene tirato o riscaldato. Hanno trattato gli atomi come particelle individuali che potevano rompersi e riformare le loro connessioni, permettendo loro di osservare l'esatto momento in cui il materiale cede. Il loro obiettivo era vedere se questa nuova forma di carbonio fosse forte quanto il grafene e capire come piccole imperfezioni, comuni nella produzione del mondo reale, influenzerebbero la sua resistenza.
I ricercatori hanno iniziato simulando il materiale che veniva teso in diverse direzioni, proprio come si tira su un pezzo di tessuto. Hanno scoperto che la rete di bifenilene si comporta in modo sorprendentemente complesso prima di rompersi definitivamente. A differenza del grafene, che si spezza bruscamente una volta raggiunto il suo limite, questo nuovo materiale attraversa una serie di trasformazioni. Mentre viene tirato, gli atomi si riorganizzano, passando da una forma all'altra. Il materiale passa attraverso diverse fasi distinte in cui gli anelli di atomi cambiano la loro configurazione, ammorbidendo efficacemente la struttura e permettendole di allungarsi ulteriormente senza rompersi immediatamente. In alcuni casi, il materiale si trasforma temporaneamente in una struttura che assomiglia molto al grafene prima di strapparsi infine. Questa capacità di cambiare forma e assorbire energia suggerisce che il materiale possiede una resilienza unica che è diversa dalla natura fragile del grafene.
Lo studio ha anche esaminato cosa accade quando il materiale presenta piccole crepe o parti mancanti, che sono inevitabili in qualsiasi applicazione del mondo reale. I ricercatori hanno simulato crepe che correvano sia parallelamente che perpendicolarmente alla direzione della trazione. Hanno scoperto che l'orientamento della crepa conta moltissimo. Quando una crepa corre attraverso la direzione della trazione, il materiale diventa più debole e si rompe prima. Tuttavia, quando la crepa corre lungo la direzione della trazione, gli atomi vicino alla crepa possono in realtà avvicinarsi e riconnettersi, permettendo al materiale di mantenere meglio la sua forza rispetto alle aspettative. Ciò significa che la durata del materiale dipende fortemente da come il difetto è allineato rispetto alla forza applicata.
Oltre alla trazione, il team ha testato come il materiale gestisce il calore estremo. Hanno simulato il riscaldamento della struttura da temperatura ambiente fino a diecimila gradi Kelvin per vedere quando si sarebbe sciolto. I risultati hanno mostrato che il materiale rimane solido e stabile fino a una temperatura molto elevata, con un punto di fusione di 4024 Kelvin. Questo è notevolmente vicino al punto di fusione del grafene, indicando che il nuovo materiale è altrettanto stabile termicamente del suo celebre cugino. Anche mentre si riscalda, il materiale subisce cambiamenti strutturali, decomponendosi infine in uno stato simile a un gas di atomi individuali e catene corte.
Le simulazioni hanno fornito numeri specifici per quanto sia rigido e forte il materiale. I ricercatori hanno calcolato un valore per la sua rigidità, noto come modulo di Young, che variava da circa 570 a 1019 gigapascal a seconda della direzione della trazione e della presenza di difetti. Questi valori sono paragonabili alla rigidità del grafene, confermando che il nuovo materiale è davvero un contendente di peso nel mondo dei materiali a base di carbonio. Lo studio è concluso che, sebbene la rete di bifenilene condivida l'eccezionale forza e la resistenza al calore del grafene, possiede una personalità distinta. Non si limita a spezzarsi sotto pressione; invece, si piega, si rimodella e si trasforma in una serie di passaggi prima di cedere. Questo comportamento, combinato con la sua capacità di mantenere la forza anche quando presenta difetti in certi modi, suggerisce che questo nuovo allotropo del carbonio potrebbe essere un candidato promettente per le tecnologie future, a patto che gli ingegneri imparino a lavorare con il suo modo unico di gestire lo stress.
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