Un team di ricerca internazionale con membri dell'Università di Linköping, l'Università Tecnica di Monaco e il Deutsches Museum tra gli altri, ha sviluppato un metodo per produrre polimeri bidimensionali con lo spessore di una singola molecola. I polimeri si formano su una superficie per azione della luce. La scoperta apre la strada a nuovi materiali ultrasottili e funzionali, ed è stato pubblicato in Chimica della natura .

La ricerca di nuovi materiali bidimensionali si è rapidamente intensificata dopo la scoperta del grafene, un supermateriale le cui eccellenti proprietà includono elevata conduttività e resistenza, rendendolo incredibilmente versatile. Vengono utilizzati due approcci principali per creare materiali ultrasottili. Nel primo, uno strato continuo di molecole o atomi viene "staccato" dalla massa del materiale. Il grafene è un esempio di tale materiale.

L'altro approccio, in contrasto, comporta la costruzione del materiale molecola per molecola producendo legami tra le molecole in vari modi. Il problema è che i materiali sono spesso piccoli, fragili e contengono molti difetti. Ciò limita le potenziali aree di applicazione.

Un team di ricerca internazionale con membri dell'Università di Linköping, l'Università Tecnica di Monaco e il Deutsches Museum, tra gli altri, ha ora sviluppato un nuovo metodo per produrre polimeri bidimensionali. La scoperta consente di sviluppare nuovi materiali funzionali ultrasottili con strutture cristalline altamente definite e regolari.

La manifattura, o polimerizzazione, del materiale avviene in due fasi. I ricercatori usano una molecola nota come "fantrip", una contrazione di "tripticene di antracene fluorurato". Questa molecola è una fusione di due diversi idrocarburi:antracene e triptycene. Le proprietà specifiche del fantrip fanno sì che le molecole si dispongano spontaneamente in uno schema adatto alla fotopolimerizzazione quando vengono posizionate su una superficie di grafite ricoperta da un alcano. Questo processo è noto come "auto-organizzazione".

Il passo successivo è la fotopolimerizzazione stessa, quando il disegno deve essere fissato con l'aiuto della luce. Le molecole sono illuminate da un laser viola che eccita gli elettroni nel guscio elettronico più esterno. Ciò provoca la formazione di legami covalenti forti e durevoli tra le molecole. Il risultato è un polimero bidimensionale poroso, mezzo nanometro di spessore, costituito da diverse centinaia di migliaia di molecole legate in modo identico, in altre parole, un materiale con un ordine quasi perfetto, fino al livello atomico.

"La creazione di legami covalenti tra le molecole richiede molta energia. Il modo più comune per fornire energia è aumentare la temperatura, ma questo fa sì che anche le molecole inizino a muoversi. Quindi non funzionerà con molecole auto-organizzate, poiché il modello sarebbe sfocato. L'uso della luce per creare legami covalenti preserva il modello e lo fissa esattamente come lo vogliamo, "dice Markus Lackinger, capogruppo di ricerca presso il Deutsches Museum e l'Università tecnica di Monaco di Baviera.

Poiché la fotopolimerizzazione viene effettuata su una superficie di grafite solida, è possibile seguire il processo su scala molecolare utilizzando la microscopia a scansione tunnel. Questo mostra i legami appena formati in una rete persistente. Per confermare l'assegnazione della struttura, il gruppo di ricerca ha simulato l'aspetto delle reti molecolari al microscopio nelle diverse fasi della reazione.

Jonas Björk è assistente professore presso la Divisione Design dei Materiali presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia all'Università di Linköping. Ha utilizzato risorse di calcolo ad alte prestazioni presso il National Supercomputer Center di Linköping per convalidare gli esperimenti e comprendere i fattori chiave che rendono il metodo di successo.

"Vediamo che le simulazioni concordano bene con la realtà fin nei minimi dettagli, e possiamo anche capire perché il nostro sistema specifico dà risultati così utili. Il prossimo passo della ricerca sarà vedere se il metodo può essere utilizzato per collegare altre molecole per nuovi materiali bidimensionali e funzionali. Migliorando il metodo, saremo anche in grado di controllare e personalizzare il tipo di materiali ultrasottili che miriamo a produrre, "dice Jonas Björk.

La polimerizzazione avviene sotto vuoto, che garantisce che il materiale non sia contaminato. Però, il film polimerico bidimensionale finale è stabile anche in condizioni atmosferiche, che è un vantaggio per le applicazioni future. Markus Lackinger crede che il materiale troverà molte applicazioni immaginabili.

"L'applicazione più ovvia consiste nell'utilizzare il materiale come filtro o membrana, ma possono apparire all'orizzonte applicazioni di cui al momento non abbiamo idea in contesti completamente diversi, anche per caso. Ecco perché la ricerca di base è così eccitante, "dice Markus Lackinger.