Thomas Heine, professore di chimica teorica alla TU Dresden, insieme alla sua squadra, ha predetto per la prima volta un polimero 2-D topologico nel 2019. Solo un anno dopo, un team internazionale guidato da ricercatori italiani è riuscito a sintetizzare questi materiali e dimostrare sperimentalmente le loro proprietà topologiche. Per la rinomata rivista Materiali della natura , questa è stata l'occasione per invitare Thomas Heine a un articolo di News and Views, che è stato pubblicato questa settimana. Con il titolo "Realizzare polimeri topologici 2-D in realtà, " Il prof. Heine descrive come la sua teoria è diventata realtà.

I materiali ultrasottili sono estremamente interessanti come elementi costitutivi per i dispositivi nano elettronici di prossima generazione, poiché è molto più facile realizzare circuiti e altre strutture complesse modellando strati 2D nelle forme desiderate. Thomas Heine, Professore di Chimica Teorica alla TU Dresden, sta lavorando alla previsione di tali materiali innovativi. Le loro proprietà possono essere calcolate con precisione utilizzando metodi moderni di chimica computazionale, ancor prima che siano stati realizzati in laboratorio.

Questa ricerca è particolarmente interessante per i polimeri 2-D:il loro tipo di reticolo è definito dalla forma dei loro blocchi costitutivi, e quelli possono essere selezionati dalla varietà quasi infinita di molecole organiche piane che corrispondono alla struttura richiesta. Un esempio particolarmente interessante è il reticolo kagome, che consiste degli angoli e dei bordi di una piastrellatura triesagonale. Nel 2019, Yu Jing e Thomas Heine hanno proposto di sintetizzare tali polimeri 2-D da molecole organiche triangolari (i cosiddetti triangulene). Questi materiali hanno una struttura combinata a nido d'ape-kagome (vedi figura). I loro calcoli suggeriscono che queste strutture 2-D combinano le proprietà del grafene (portatori di carica quasi privi di massa) con quelle dei superconduttori (bande elettroniche piatte).

Ora lo scienziato italiano dei materiali Giorgio Contini e il suo team internazionale sono riusciti a sintetizzare questo polimero kagome a nido d'ape 2-D, come pubblicato in Materiali della natura all'inizio di questa settimana. Un innovativo metodo di sintesi superficiale ha permesso di produrre cristalli di qualità così elevata da essere adatti alla caratterizzazione sperimentale delle proprietà elettroniche.

Infatti, sono state rivelate le affascinanti proprietà topologiche previste. Così, per la prima volta, si potrebbe provare sperimentalmente che i materiali topologici possono essere realizzati tramite polimeri 2-D.

La ricerca sui polimeri 2-D è quindi posta su solide basi. Il reticolo kagome qui descritto è solo un esempio delle centinaia di possibilità di collegare molecole piane a reticoli regolari. Per alcune di queste varianti, altre interessanti proprietà elettroniche sono già state previste teoricamente. Ciò apre numerose nuove possibilità per teorici e sperimentali in chimica e fisica per sviluppare materiali con proprietà precedentemente sconosciute.

Il prof. Heine spiega:"Questi risultati mostrano che i polimeri 2-D possono essere materiali con proprietà elettroniche utili, sebbene le loro strutture siano molto più a maglie larghe rispetto ai normali materiali elettronici, con distanze superiori a un nanometro tra i punti del reticolo. Il presupposto è che i materiali siano di ottima qualità strutturale. Ciò include un'elevata cristallinità e una densità di difetti molto bassa. Un altro importante contributo dei colleghi del Prof. Contini è che, sebbene i polimeri 2-D siano stati prodotti su una superficie metallica, possono essere staccati e trasferiti su qualsiasi altro supporto, come ossido di silicio o mica, e quindi essere incorporati in dispositivi elettronici."