Dopo sei anni di duro lavoro, un gruppo di scienziati dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison ritiene che la loro svolta nella crescita di minuscoli fogli di ossido di zinco potrebbe avere enormi implicazioni per il futuro della produzione di nanomateriali e, a sua volta, su una miriade di dispositivi elettronici e biomedici.

Il gruppo, guidato da Xudong Wang, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la UW-Madison, e ricercatore post-dottorato Fei Wang, ha sviluppato una nuova tecnica per sintetizzare nanofogli bidimensionali da composti che non formano naturalmente i materiali di spessore atomico. È la prima volta che una tecnica del genere ha successo, e i ricercatori hanno descritto i loro risultati 20, Gennaio, 2016, nel diario Comunicazioni sulla natura .

Essenzialmente l'equivalente microscopico di un singolo foglio di carta, un nanofoglio 2D è un materiale vincolato a pochi strati atomici in una direzione. I nanomateriali - materiali che sono vincolati in almeno una dimensione a un massimo di una manciata di strati atomici - hanno proprietà fisiche uniche che alterano le loro proprietà elettroniche e chimiche in relazione alla loro composizione identica ma convenzionale, e più grande, controparti materiali. "La cosa bella di un nanomateriale 2D è che, poiché è un foglio, è molto più facile da manipolare per noi rispetto ad altri tipi di nanomateriali, " dice Xudong Wang.

Fino ad ora, gli scienziati dei materiali si sono limitati a lavorare con nanofogli 2D presenti in natura. Queste strutture naturali 2D includono grafene, un singolo strato di grafite, e un numero limitato di altri composti. Lo sviluppo di un metodo affidabile per sintetizzare e produrre nanofogli 2D da altri materiali è stato per anni un obiettivo dei ricercatori sui materiali e dell'industria delle nanotecnologie.

Nella loro tecnica, il team di UW-Madison ha applicato un tensioattivo appositamente formulato, una sostanza simile a un detergente, sulla superficie di un liquido contenente ioni di zinco. Grazie alle sue proprietà chimiche, il tensioattivo si assembla in un unico strato sulla superficie del liquido, con ioni solfato carichi negativamente puntati nella direzione del liquido. Quegli ioni solfato attirano gli ioni di zinco caricati positivamente dall'interno del liquido alla superficie, e nel giro di un paio d'ore vengono estratti abbastanza ioni di zinco per formare nanofogli continui di ossido di zinco dello spessore di pochi strati atomici.

Xudong Wang ha avuto per la prima volta l'idea di utilizzare un tensioattivo per coltivare nanofogli durante una conferenza che stava tenendo in un corso sulla nanotecnologia nel 2009.

"Il corso prevede una lezione sull'autoassemblaggio di monostrati, " dice Xudong Wang. "Nelle condizioni corrette, un tensioattivo si autoassembla per formare un monostrato. Questo è un processo ben noto che insegno in classe. Quindi, mentre insegnavo questo, mi chiedevo perché non saremmo stati in grado di invertire questo metodo e utilizzare prima il monostrato di tensioattivo per far crescere la faccia cristallina".

Dopo cinque anni di tentativi ed errori con diverse soluzioni tensioattive, l'idea alla fine ha dato i suoi frutti circa un anno fa.

"Siamo molto entusiasti di questo, " afferma Xudong Wang. "Questo è sicuramente un nuovo modo per fabbricare nanofogli 2D, e ha un grande potenziale per diversi materiali e per molte applicazioni diverse."

I ricercatori hanno già scoperto che i nanofogli 2D di ossido di zinco che hanno coltivato sono in grado di funzionare come transistor a semiconduttore di tipo p, che è il comportamento elettronico opposto dell'ossido di zinco naturale. I ricercatori hanno tentato per qualche tempo di produrre ossido di zinco con proprietà di semiconduttore di tipo p affidabili.

L'ossido di zinco è un componente molto utile dei materiali elettronici, e i nuovi nanosheet possono essere utilizzati nei sensori, trasduttori e optoelettronica.

Ma i nanosheet di ossido di zinco sono solo i primi di quella che potrebbe essere una rivoluzione nei nanomateriali 2D. Già, il team di UW-Madison sta applicando il suo metodo tensioattivo alla crescita di nanofogli 2D di oro e palladio, e la tecnica è promettente per la crescita di nanofogli da tutti i tipi di metalli che non li formerebbero naturalmente.

"Porta molti nuovi materiali funzionali a questa categoria di materiali 2D, " dice Xudong Wang.