Een groep wetenschappers uit Rusland, de VS en China hebben het bestaan ​​van een nieuw tweedimensionaal koolstofmateriaal voorspeld via computergegenereerde simulatie, een "lappendeken" analoog van grafeen genaamd phagrapheen. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

"In tegenstelling tot grafeen, een zeshoekige honingraatstructuur met koolstofatomen op de kruispunten, fagrapheen bestaat uit penta-, zes- en zevenhoekige koolstofringen. De naam komt van een samentrekking van Penta-Hexa-heptA-grafeen, " zegt Oganov, hoofd van het MIPT Laboratory of Computer Design.

Tweedimensionale materialen, samengesteld uit een laag van één atoom dik, hebben de afgelopen decennia veel aandacht getrokken van wetenschappers. De eerste van deze materialen, grafeen, werd in 2004 ontdekt door twee MIPT-afgestudeerden, Andre Geim en Konstantin Novoselov. In 2010, Geim en Novoselov kregen voor die prestatie de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Door de tweedimensionale structuur grafeen heeft absoluut unieke eigenschappen. De meeste materialen kunnen elektrische stroom overbrengen wanneer ongebonden elektronen een energie hebben die overeenkomt met de geleidingsband van het materiaal. Wanneer er een kloof is tussen het bereik van mogelijke elektronenenergieën, de valentieband, en het bereik van geleidbaarheid (de zogenaamde verboden zone), het materiaal werkt als een isolator. Wanneer de valentieband en de geleidingsband elkaar overlappen, het fungeert als dirigent, en elektronen kunnen bewegen onder invloed van een elektrisch veld.

in grafeen, elk koolstofatoom heeft drie elektronen die zijn gebonden aan elektronen in naburige atomen, chemische bindingen vormen. Het vierde elektron van elk atoom is "gedelokaliseerd" over het hele grafeenblad, waardoor het elektrische stroom kan geleiden. Tegelijkertijd, de verboden zone in het grafeen heeft een breedte van nul. Als je de elektronenenergie en hun locatie in grafiekvorm uitzet, je krijgt een figuur die lijkt op een zandloper, d.w.z. twee kegels verbonden door hoekpunten. Deze staan ​​bekend als Dirac-kegels.

Door deze unieke staat, elektronen in grafeen gedragen zich heel vreemd:ze hebben allemaal één en dezelfde snelheid (vergelijkbaar met de lichtsnelheid), en ze bezitten geen traagheid. Ze lijken geen massa te hebben. En, volgens de relativiteitstheorie, deeltjes die met de snelheid van het licht reizen, moeten zich op deze manier gedragen. De snelheid van elektronen in grafeen is ongeveer 10 duizend kilometer per seconde (elektronsnelheden in een typische geleider variëren van centimeters tot honderden meters per seconde).

fagrafeen, ontdekt door Oganov en zijn collega's met behulp van het USPEX-algoritme, evenals grafeen, is een materiaal waarin Dirac-kegels verschijnen, en elektronen gedragen zich op dezelfde manier als deeltjes zonder massa.

"In fagrafeen, vanwege het verschillende aantal atomen in de ringen, de Dirac-kegels zijn 'helling'. Dat is de reden waarom de snelheid van elektronen erin afhangt van de richting. Bij grafeen is dit niet het geval. Het zou zeer interessant zijn voor toekomstig praktisch gebruik om te zien waar het nuttig zal zijn om de elektronensnelheid te variëren, " legt Artyom Oganov uit.

Phagrapheen bezit alle andere eigenschappen van grafeen waardoor het kan worden beschouwd als een geavanceerd materiaal voor flexibele elektronische apparaten, transistoren, zonnebatterijen, display units en vele andere dingen.