Un team interdisciplinare di scienziati presso il Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti ha dimostrato che i dichalcogenuri di metalli di transizione 2-D monostrato (TMD) - semiconduttori atomicamente sottili - subiscono un cambiamento da semiconduttore a fase metallica quando esposti a vapori chimici nell'aria.

Il team ha convalidato le prove ottiche ed elettroniche della transizione di fase e di come il comportamento può essere utilizzato per creare una classe completamente nuova di sensori di vapore chimico. Questa nuova classe di strumenti è potenzialmente più sensibile degli attuali modelli allo stato dell'arte, e selettivo a specifici agenti nervini e composti esplosivi che sono di grande preoccupazione sui campi di battaglia di oggi.

Dalla scoperta nel 2004-2005 che i film monostrato di TMD possono essere isolati da materiali sfusi a causa del debole legame interstrato degli atomi, noto come legame di van der Waals, questi materiali continuano a rivelare comportamenti e proprietà nuovi e notevoli.

"Questi materiali sono estremamente promettenti per le applicazioni di rilevamento del vapore chimico perché lo spessore intrinseco di pochi atomi del materiale aumenta notevolmente la loro sensibilità anche al più piccolo disturbo superficiale, " ha detto il dottor Adam L. Friedman, fisico ricercatore, Divisione Scienza e Tecnologia dei Materiali. "Oltre all'interesse immediato per la ricerca di base, poiché questo particolare metodo di creazione della transizione di fase nei TMD non è mai stato osservato o esplorato prima, ha un grande potenziale di applicazione in un nuovo tipo di phase-based, sensore di vapore chimico multifunzionale."

I TMD monostrato offrono possibili progressi tecnologici rispetto agli attuali modelli di materiali, che aprono la strada a poco costoso, flessibile, dispositivi ad alte prestazioni che sfruttano la loro funzionalità esclusiva dominata dalla superficie.

Chimicamente abbreviato come MX2, dove M è un metallo di transizione e X è un chalocogen, i TMD monostrato includono isolanti, semiconduttori, metalli e altri tipi di materiali, e includono una varietà di proprietà non osservate nei loro equivalenti materiali sfusi. Alcuni film rispondono selettivamente attraverso un processo di trasferimento di carica a una classe di analiti che include agenti nervini, come l'agente velenoso X (VX), Una quantità microscopica di analita che giace sulla superficie del TMD funge da donatore di elettroni e agente riducente locale, che influenza in modo misurabile la conduttanza del film.

Il team dell'NRL ha ipotizzato che alcuni analiti chimici forti donatori di elettroni, come quelli rilevanti per rilevare determinati agenti nervini ed esplosivi, può anche fornire un trasferimento di carica sufficiente al TMD per ottenere un cambiamento di fase. Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori hanno esposto i film TMD monostrato a forti analiti di vapore chimico donatori di elettroni e li hanno monitorati per la loro conduttanza e risposta ottica. Hanno scoperto che la risposta di conduttanza dei loro dispositivi è cessata dopo un'esposizione moderata e l'entità complessiva della conduttanza è aumentata bruscamente in modo significativo in quel momento, che ha segnalato un cambiamento di fase. La risposta ottica ha anche confermato un cambiamento di fase.

Friedman ha detto, "Abbiamo assemblato un set di dati eccezionalmente ampio che includeva più metodi per misurare questi tipi di film e abbiamo concluso che il comportamento che abbiamo osservato non è dovuto al doping ed è molto probabilmente dovuto a parziale, cambiamenti di fase localizzati nelle aree del film TMD dove l'analita debolmente adsorbito trasferisce la carica al reticolo."

Questo comportamento appena scoperto apre una possibilità completamente nuova per i consumi ridotti, flessibile, dispositivi sensori di vapore chimico versatili. Se la transizione di fase può essere sfruttata per rilevare direttamente forti analiti donatori di elettroni, si creerà un modello di rilevamento del vapore chimico completamente nuovo. Permetterà di combinare misure ottiche di tipo passivo con, o utilizzato separatamente da, misure di conduttanza attiva per identificare i vapori di analita tutti con lo stesso dispositivo ed essere utilizzati come meccanismo operativo per un nuovo metodo per identificare i composti chimici e la presenza di vapori pericolosi.

Precedenti studi su simili cambiamenti di fase senza diffusione hanno mostrato velocità nell'intervallo dei nanosecondi, e anche i dispositivi previsti saranno veloci, che supererà lo stato dell'arte nella velocità di rilevamento. Poiché la quantità di carica necessaria per indurre un cambiamento di fase in ciascun materiale TMD è diversa, una suite di materiali TMD a rilevamento simultaneo consentirà di rilevare vari donatori/accettori di elettroni di forza e persino di identificarli con la ridondanza necessaria per ridurre al minimo l'errore. A causa delle loro ridotte esigenze di spazio e di spesa, questi sensori possono anche essere facilmente combinati con i sensori di corrente per creare uno strumento ancora più versatile per le attuali piattaforme del Dipartimento della Difesa (DoD).

I risultati sono riportati nel numero di giugno 2017 di Natura Gruppi editoriali Rapporti scientifici .