I ricercatori delle università di Jyvaskyla (Finlandia) e Xiamen (Cina) hanno scoperto un nuovo modo per realizzare materiali cristallini macroscopici funzionali da cluster intermetallici argento-oro di 34 atomi di dimensioni nanometriche. Il materiale del cluster ha una conduttività elettrica altamente anisotropa, essendo un semiconduttore in una direzione e un isolante elettrico in altre direzioni. La sintesi del materiale e le sue proprietà elettriche sono state studiate a Xiamen e la caratterizzazione teorica del materiale è stata effettuata a Jyvaskyla. La ricerca è stata pubblicata online in Comunicazioni sulla natura il 6 maggio, 2020.

I cluster metallici sono stati sintetizzati mediante chimica umida, aggiunta di sali d'oro e d'argento e molecole di etiniladamantano in una miscela di metanolo e cloroformio o diclorometano. Tutte le sintesi hanno prodotto gli stessi ammassi argento-oro di 34 atomi con una struttura atomica identica, ma sorprendentemente, l'uso del solvente diclorometano/metanolo ha avviato una reazione di polimerizzazione dopo la formazione di cluster in soluzione e la crescita di singoli cristalli spessi come capelli umani costituiti da catene polimeriche allineate dei cluster.

I cristalli si sono comportati come materiale semiconduttore nella direzione del polimero e come isolante elettrico nelle direzioni trasversali. Questo comportamento deriva dal legame atomico metallo-metallo nella direzione del polimero mentre nelle direzioni trasversali i cluster metallici sono isolati l'uno dall'altro da uno strato di etiniladamantano.

La modellazione teorica del materiale del cluster mediante simulazioni ad alta intensità di computer utilizzando la teoria del funzionale della densità ha previsto che il materiale ha un gap energetico di 1,3 eV per le eccitazioni elettroniche. Ciò è stato confermato dalle misurazioni dell'assorbimento ottico e della conduttività elettrica in un layout in cui i cristalli singoli sono stati montati come parte di un transistor ad effetto di campo, che ha mostrato una proprietà di semiconduttore di tipo p del materiale. La conduttività elettrica lungo la direzione del polimero era di circa 1800 volte rispetto alle direzioni trasversali.

"Siamo rimasti piuttosto sorpresi dall'osservazione che la formazione del polimero può essere controllata semplicemente cambiando le molecole di solvente. Lo abbiamo scoperto probabilmente per fortuna, ma speriamo che questo risultato possa essere applicato in futuro per progettare materiali nanostrutturati gerarchici con la funzionalità desiderata, " afferma il professor Nanfeng Zheng dell'Università di Xiamen, che ha condotto il lavoro sperimentale.

"Questo lavoro mostra un esempio interessante su come le proprietà dei materiali macroscopici possono essere progettate nella sintesi dal basso verso l'alto dei nanomateriali. La modellazione teorica di questo materiale è stata piuttosto impegnativa a causa di un modello su larga scala che abbiamo dovuto costruire per tenere conto della corretta periodicità di il cristallo polimerico A tal fine, abbiamo beneficiato molto dell'accesso ad alcuni dei più grandi supercomputer in Europa, ", afferma il professore dell'Accademia Hannu Hakkinen dell'Università di Jyvaskyla, che ha condotto il lavoro teorico.