Approccio ibrido per l’analisi e la progettazione di materiali a base di nanofogli di grafene

I ricercatori dell’Istituto delle Scienze di Tokyo hanno realizzato un nuovo metodo per l’analisi e la progettazione di materiali a base di nanofogli di grafene.

Un team di ricerca della School of Materials and Chemical Technology dell’Institute of Science Tokyo, riportata da Phys.org, ha sviluppato un nuovo approccio per l’analisi e la progettazione di materiali a base di nanofogli di grafene. I nanofogli di grafene (GS) sono materiali nanocarbonici bidimensionali (2D) noti per la notevole flessibilità, l’eccezionale resistenza meccanica e la capacità di assumere forme diverse. In particolare, introducendo anelli a cinque o sette elementi in GS esagonali, si possono ottenere forme coniche o a sella di cavallo. Immaginate un foglio di carta esagonale diviso in sei triangoli equilateri. Rimuovendo un triangolo si crea un anello a cinque elementi che, una volta piegato, forma un cono, mentre aggiungendo un triangolo si forma un anello a sette elementi, producendo una forma a sella. Queste strutture ad anello sono difetti reticolari di tipo rotazionale noti come disclinazioni.

Le disclination sono state utilizzate per sviluppare vari materiali basati sui nanofogli di grafene. Per esempio i GS a forma di onda chiamati grafene a forma di vassoio d’uovo,  sono noti per la loro resistenza agli urti. Mentre la rigidità alla flessione dei GS piatti è stata ampiamente studiata, quella dei nanofogli con disclination rimane poco compresa a causa della variabilità introdotta dalle deformazioni che rendono difficili misurazioni precise.

Un nuovo approccio ibrido

Per colmare questa lacuna, il team di ricerca guidato dal Professore Associato Xiao-Wen Lei ha sviluppato un nuovo approccio: “Abbiamo sviluppato un nuovo approccio ibrido, combinando simulazioni di dinamica molecolare con la teoria di Helfrich sulla flessione della membrana. Questo metodo consente la valutazione diretta della rigidità alla flessione di GS con difetti reticolari direttamente dalle configurazioni atomiche, senza richiedere test sperimentali” spiega Lei.

La teoria di Helfrich sulla flessione della membrana descrive la flessione fuori piano di materiali 2D modellandone la curvatura utilizzando considerazioni energetiche. Sebbene originariamente sviluppata per analizzare i doppi strati lipidici delle cellule biologiche, questa teoria è applicabile anche ai nanofogli di grafene, grazie alle somiglianze geometriche e meccaniche. Tuttavia, risolvere questa teoria analiticamente è notoriamente difficile. Per semplificare l’analisi, i ricercatori hanno applicato simulazioni di dinamica molecolare.

Mediante questo approccio, il team ha analizzato quattro tipi di modelli analitici di nanofogli di grafene con disclinazioni. Nel complesso, questo studio accelererà lo sviluppo di nuovi materiali basati sui GS, come nano-molle e strutture in grafene resistenti agli urti, portando a materiali 2D avanzati: “I nostri risultati non solo offrono una base per comprendere le proprietà meccaniche dei GS con difetti reticolari, ma anche spunti per la progettazione di nuovi GS con rigidità flessionale specifiche e proprietà meccaniche personalizzate” osserva Lei.