Een studie uitgevoerd aan het Physics Institute van de Universiteit van São Paulo (IF-USP), Brazilië, heeft een langdurige controverse over defecten in grafeen opgelost. De controverse houdt verband met de berekening van de algehele elektronische structuur van defecten. Deze configuratie, die veel variabelen omvat, werd op verschillende manieren beschreven, afhankelijk van de onderzoeker en het gebruikte model. De oplossing, die voor alle modellen identiek is en compatibel is met experimentele bevindingen, werd verkregen door de Chileense Ana María Valencia García en haar promotor, Marilia Junqueira Caldas, Hoogleraar bij IF-USP.

Een artikel geschreven door beide onderzoekers is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B , getiteld "Enkel vacaturedefect in grafeen:inzicht in de magnetische eigenschappen van theoretische modellering."

"Er waren verschillen in de gemeenschap over de vraag of de vacature die werd gevormd door het verwijderen van een enkel koolstofatoom uit het kristalrooster van een grafeenplaat een zwak of sterk magnetisch moment veroorzaakt, en met betrekking tot de sterkte van de magnetische interactie tussen vacatures, " zei Caldas. De vacature zet de omringende atomen aan om zichzelf te herschikken in nieuwe combinaties om de afwezigheid van een atoom op te vangen, vormen elektronenclusters bekend als "drijvende orbitalen" op de lege plaats.

Drie belangrijke variabelen zijn geassocieerd met het fenomeen:elektronendichtheid, d.w.z., hoe de elektronen zijn verdeeld; elektronen niveaus, d.w.z., de energieniveaus die door de elektronen worden ingenomen; en magnetisch moment, d.w.z., het koppel geproduceerd in de elektronen door een extern magnetisch veld.

Gebruik uit de eerste hand van hybride methode in grafeen

"Er zijn twee manieren om de algehele elektronenstructuur van het vacaturegebied te berekenen, beide afgeleid van de kwantummechanica:de Hartree-Fock (HF) methode, en dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). In DFT, de berekening wordt uitgevoerd door elk elektron te laten interageren met de gemiddelde elektronendichtheid, waarin het betreffende elektron zit. in HF, de gebruikte operator sluit het elektron uit en beschouwt alleen de interactie met de anderen. HF levert nauwkeurigere resultaten op voor de elektronenstructuur, maar de berekening is veel arbeidsintensiever, ' zei Caldas.

"De twee methoden worden vaak gecombineerd door middel van hybride functionalen, die sinds het einde van de 20e eeuw in de wetenschappelijke literatuur worden genoemd. Ik heb enige tijd geleden zelf met hen gewerkt in een onderzoek naar polymeren, maar ze waren nooit gebruikt in het geval van grafeen. Wat Ana María Valencia García en ik deden, was de hybride functionaliteit ontdekken die het materiaal het beste beschrijft. Toegepast op verschillende modellen met behulp van computersimulatie, onze hybride functionele produceerde hetzelfde resultaat voor allemaal en dit resultaat kwam overeen met de experimentele gegevens."

Naast het oplossen van de controverse, die jaren had geduurd, een ander interessant aspect van dit onderzoek is het probleem dat het motiveerde. "We kwamen tot het via de interesse gewekt door een materiaal dat bekend staat als antropogene donkere aarde of ADE, " legde Caldas uit. "ADE is een soort heel donker, vruchtbare grond gevonden in verschillende delen van de wereld, inclusief de Amazone. Het houdt zelfs bij hoge temperaturen vocht vast, en blijft zelfs bij hevige regen vruchtbaar. Het wordt antropogeen genoemd omdat de samenstelling afkomstig is van middens en cultivatie door inheemse bevolkingsgroepen in de pre-Columbiaanse periode, minstens twee millennia geleden. Van dit intrigerende materiaal was bekend dat het het resultaat was van meerdere gestapelde lagen grafeen-nanovlokken. Het was onze interesse in ADE die ons ertoe bracht het fenomeen leegstand in grafeenplaten te bestuderen."

Tot slot, opgemerkt moet worden dat er potentiële vacatures zijn voor vacatures in grafeenplaten, omdat informatie in het defect kan worden gecodeerd en niet in de hele structuur. Er zal nog veel meer onderzoek nodig zijn voordat toepassingen kunnen worden ontwikkeld, echter.