L'elemento chimico fosforo è considerato uno degli elementi più essenziali per la vita. I composti del fosforo sono profondamente coinvolti nella struttura e nella funzione degli organismi. Ogni essere umano ne trasporta circa un chilogrammo nel corpo. Ma anche fuori dal nostro corpo siamo circondati ogni giorno da fosfati e fosfonati:nel nostro cibo, nei detersivi, fertilizzanti o medicinali.

Il fosforo si presenta in diverse modificazioni che hanno proprietà estremamente diverse. In condizioni normali, viene fatta una distinzione tra bianco, viola, fosforo rosso e nero. Nel 2014, un team della Michigan State University, predetto computazionalmente "fosforo blu, " che potrebbe essere prodotto sperimentalmente due anni dopo.

Il fosforo blu è un cosiddetto materiale bidimensionale (2-D). Grazie alla sua struttura a nido d'ape monostrato, ricorda quello che è probabilmente il materiale 2-D più conosciuto:il grafene. Analogamente al suo famoso predecessore, fu poi chiamato anche fosforene blu. Da allora questo nuovo materiale semiconduttore è stato studiato come un candidato estremamente promettente per i dispositivi optoelettronici.

Il chimico di Dresda Prof Thomas Heine, in collaborazione con scienziati messicani, ha ora fatto una scoperta unica:applicando un concetto topologico hanno identificato computazionalmente una struttura a nido d'ape a due strati di fosforene blu notevolmente stabile mediante calcoli altamente precisi su computer ad alte prestazioni. Questo composto a due strati è estremamente stabile. Come hanno sorprendentemente scoperto gli scienziati, ha proprietà metalliche dovute alla piccolissima distanza tra i due strati. I risultati di queste indagini sono stati pubblicati come articolo di rilievo nell'attuale numero della rivista Lettere di revisione fisica .

Come tutti i componenti, questi dispositivi devono essere alimentati, che di solito entra nel materiale tramite elettrodi metallici. All'interfaccia metallo-semiconduttore, le perdite di energia sono inevitabili, un effetto noto come barriera di Schottky. Il fosforo blu è semiconduttore come un singolo strato, ma previsto per essere metallico come un doppio strato. I materiali metallici 2-D sono molto rari, e per la prima volta è stato scoperto un materiale elementare puro che mostra una transizione metallo-semiconduttore dal monostrato al doppio strato. Così, un componente elettronico od optoelettronico per impiego in transistor o fotocellule può essere realizzato da un solo elemento chimico. Poiché in questi dispositivi non esiste un'interfaccia tra semiconduttore e metallo, la barriera Schottky è notevolmente ridotta e ci si può aspettare una maggiore efficienza.

"Immagina di mettere due strati di carta uno sopra l'altro e improvvisamente il doppio foglio brilla metallicamente come una lamina d'oro. Questo è esattamente ciò che prevediamo per il fosforene blu. Questo lavoro sottolinea l'importanza dell'interdisciplinarietà nella ricerca di base. Utilizzando un metodo topologico-matematico modello e chimica teorica, siamo stati in grado di progettare un nuovo materiale al computer e prevederne le proprietà fisiche. Sono previste applicazioni nel campo della nano e optoelettronica, " spiega il professor Heine.

Per questi risultati promettenti nella ricerca di base, la prima autrice Jessica Arcudia dal Messico ha già ricevuto il premio poster LatinXChem e l'ACS Presidential Award. Il giovane chimico è stato studente ospite nel gruppo di ricerca di Thomas Heine nel 2018, dove aveva lavorato anche il suo supervisore del dottorato, il prof. Gabriel Merino.