Une étude menée à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP), Brésil, a résolu une controverse de longue date concernant les défauts du graphène. La controverse est liée au calcul de la structure électronique globale des défauts. Cette configuration, qui comprend de nombreuses variables, a été décrite de différentes manières selon le chercheur et le modèle utilisé. La solution, qui est identique pour tous les modèles et compatible avec les résultats expérimentaux, a été obtenu par la chilienne Ana María Valencia García et son directeur de thèse, Marilia Junqueira Caldas, Professeur ordinaire à IF-USP.

Un article rédigé par les deux chercheurs a été publié dans la revue Examen physique B , intitulé "Défaut de vacance unique dans le graphène :aperçu de ses propriétés magnétiques à partir de la modélisation théorique."

"Il y avait des divergences dans la communauté quant à savoir si la lacune formée en supprimant un seul atome de carbone du réseau cristallin d'une feuille de graphène provoque un moment magnétique faible ou fort, et concernant la force de l'interaction magnétique entre les lacunes, " a déclaré Caldas. La vacance incite les atomes environnants à se réorganiser en de nouvelles combinaisons pour s'adapter à l'absence d'un atome, formant des amas d'électrons connus sous le nom d'« orbitales flottantes » sur le site vacant.

Trois variables importantes sont associées au phénomène :la densité électronique, c'est à dire., comment les électrons sont distribués; niveaux d'électrons, c'est à dire., les niveaux d'énergie occupés par les électrons; et moment magnétique, c'est à dire., le couple produit dans les électrons par un champ magnétique externe.

Utilisation directe de la méthode hybride dans le graphène

"Il y a deux façons de calculer la structure électronique globale de la région de vacance, toutes deux issues de la mécanique quantique :la méthode Hartree-Fock (HF), et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). En DFT, le calcul est effectué en faisant interagir chaque électron avec une densité électronique moyenne, qui comprend l'électron en question. En HF, l'opérateur utilisé exclut l'électron et ne considère que son interaction avec les autres. HF produit des résultats plus précis pour la structure électronique mais le calcul est beaucoup plus laborieux, " dit Caldas.

« Les deux méthodes sont souvent combinées au moyen de fonctionnelles hybrides, qui ont été mentionnés dans la littérature scientifique depuis la fin du 20e siècle. J'ai moi-même travaillé avec eux il y a quelque temps dans une étude sur les polymères, mais ils n'avaient jamais été utilisés dans le cas du graphène. Ce qu'Ana María Valencia García et moi avons fait, c'est découvrir la fonction hybride qui décrit le mieux le matériau. Appliqué à plusieurs modèles par simulation informatique, notre fonctionnelle hybride a produit le même résultat pour tous et ce résultat correspondait aux données expérimentales."

Outre la résolution de la controverse, qui avait duré des années, un autre aspect intéressant de cette recherche est le problème qui l'a motivée. « Nous y sommes parvenus par l'intérêt suscité par un matériau connu sous le nom de terre noire anthropique ou ADE, " expliqua Caldas. " ADE est une sorte de très sombre, sol fertile trouvé dans plusieurs parties du monde, y compris l'Amazonie. Il retient l'humidité même à haute température, et reste fertile même sous de fortes pluies. On l'appelle anthropique car sa composition dérive des amas et de la culture par les populations indigènes de la période précolombienne il y a au moins deux millénaires. Ce matériau intrigant était connu pour avoir résulté de couches multi-empilées de nanoflocons de graphène. C'est notre intérêt pour l'ADE qui nous a conduit à étudier le phénomène de la lacune dans les feuilles de graphène."

En conclusion, il est à noter qu'il existe des applications potentielles de vacance dans les feuilles de graphène, puisque l'information peut être encodée dans le défaut et non dans la structure entière. Beaucoup plus de recherches seront nécessaires avant que des applications puissent être développées, toutefois.