La scoperta del grafene, con il suo elevato rapporto resistenza-peso, flessibilità, conduttività elettrica, e capacità di formare una barriera impenetrabile, ha portato a un'esplosione di interesse per i solidi 2-D. Debole, le interazioni a lungo raggio danno ai solidi 2-D alcuni dei loro comportamenti più interessanti; perciò, comprendere queste interazioni è fondamentale per sviluppare ulteriormente questi materiali. Però, mancava il supporto sperimentale per la modellazione teorica delle interazioni di van der Waals che tengono insieme gli strati di questi materiali.

Ora, un gruppo di ricerca internazionale guidato dall'Università di Tsukuba e dall'Università di Aarhus ha eseguito esperimenti di diffrazione dei raggi X di sincrotrone su disolfuro di titanio (TiS2), un materiale di dicalogenuro di metallo di transizione (TMD) con una struttura bidimensionale a strati, e ha confrontato i risultati con quelli teorici calcoli. Il loro lavoro di riferimento è stato recentemente pubblicato in Materiali della natura .

"L'interazione tra gli strati nei materiali di van der Waals come TiS2 ha un impatto significativo sulla loro modifica, in lavorazione, e montaggio, ", afferma il coautore dello studio Eiji Nishibori. "Modellando i dati sperimentali di sincrotrone e confrontandoli con i calcoli della teoria del funzionale della densità, abbiamo rivelato informazioni sorprendenti sulla natura della condivisione di elettroni tra gli strati di questi materiali".

TiS2 è un materiale archetipico di van der Waals, con strati composti da fogli di titanio e zolfo interagenti attraverso forti legami chimici, dove gli elettroni sono condivisi tra gli atomi, risultando in una struttura relativamente fissa. Tra questi fogli, le interazioni a lungo raggio S…S van der Waals attraggono gli strati l'uno verso l'altro permettendo loro di accumularsi, formare materiali solidi. Queste interazioni sono note per essere molto più deboli di quelle all'interno dei fogli 2-D, però, utilizzando la radiazione di raggi X di sincrotrone ad alta energia per misurare con precisione un singolo cristallo di TiS2, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che le interazioni tra gli strati sono in effetti più forti di quanto indichi la teoria, e comportano una significativa condivisione di elettroni.

"Questo lavoro fornisce una comprensione fondamentale di un'entusiasmante classe di materiali con numerose potenziali applicazioni in tecnologie come batterie agli ioni, catalisi, e superconduttori, ", afferma l'autore principale Hidetaka Kasai. "I nostri esperimenti sono i primi a rivelare la vera natura delle interazioni che rendono i materiali 2-D così interessanti, e speriamo che siano alla base di molti sviluppi futuri in questo settore".

L'eccezionale accordo dei dati di diffrazione del sincrotrone con i calcoli teorici nella descrizione delle interazioni Ti-S intrastrato, supporta la validità di queste nuove differenze per le interazioni a lungo raggio attraverso gli intercalari. Si prevede che i risultati contribuiranno in modo sostanziale alla comprensione fondamentale del legame chimico debole nei materiali stratificati 2-D in generale, e allo sviluppo di materiali TMD.