Per la prima volta i ricercatori hanno dimostrato che le membrane metalliche indipendenti costituite da un singolo strato di atomi possono essere stabili in condizioni ambientali. Questo risultato di un gruppo di ricerca internazionale dalla Germania, Polonia e Corea è pubblicato in Scienza il 14 marzo, 2014.

Il successo e la promessa del carbonio atomicamente sottile, in cui gli atomi di carbonio sono disposti in un reticolo a nido d'ape, noto anche come grafene ha suscitato un enorme entusiasmo per altri materiali bidimensionali, Per esempio, nitruro di boro esagonale e solfuro di molibdeno. Questi materiali condividono un aspetto strutturale comune, vale a dire, sono materiali stratificati che si possono pensare come singoli piani atomici che possono essere tirati via dalla loro struttura 3D sfusa. Questo perché gli strati sono tenuti insieme attraverso le cosiddette interazioni di van der Waals che sono forze relativamente deboli rispetto ad altre configurazioni di legame come i legami covalenti. Una volta isolati, questi strati atomicamente sottili mantengono l'integrità meccanica (cioè sono stabili) in condizioni ambientali.

Nel caso di metalli sfusi, la loro struttura cristallina è tridimensionale, e quindi non è una struttura a strati e inoltre i legami atomici metallici sono relativamente forti. Questi aspetti strutturali dei metalli sembrerebbero implicare l'esistenza di atomi di metallo poiché un materiale 2D indipendente è improbabile. La formazione di strati metallici 2D atomicamente sottili su altre superfici è stata precedentemente dimostrata, tuttavia in questo caso gli atomi metallici interagiscono con il substrato sottostante. D'altra parte, il legame metallico è non direzionale e questo fatto, insieme all'eccellente plasticità dei metalli su scala nanometrica, suggerisce che membrane 2D indipendenti atomicamente sottili composte da atomi di metallo potrebbero essere semplicemente possibili. Infatti, questo è ciò che un gruppo internazionale di ricercatori con sede in Germania, La Polonia e la Corea del Sud hanno ora dimostrato che è possibile utilizzare atomi di ferro. A parte la dimostrazione che gli atomi di metallo possono formare membrane 2D indipendenti, c'è un notevole interesse per il potenziale di tali materiali metallici 2D in quanto si prevede che abbiano proprietà esotiche.

Il gruppo internazionale di ricercatori del Leibniz Institute Dresden (IFW), la Technische Universität Dresda, l'Accademia polacca delle scienze, Sungkyunkwan University e il Centro per la fisica delle nanostrutture integrate, un istituto di scienze di base (Corea) ha utilizzato i pori del grafene monostrato per formare membrane spesse di un singolo atomo di ferro (Fe) 2D autoportanti. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno sfruttato il modo in cui gli atomi di Fe si muovono attraverso la superficie del grafene quando irradiati dagli elettroni in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Quando questi atomi si muovono sulla superficie, se incontrano un bordo aperto del grafene, tendono a rimanervi intrappolati.

I ricercatori hanno potuto dimostrare, sul posto, che un gran numero di atomi di Fe può rimanere intrappolato in un poro e, Inoltre, si configurano in maniera ordinata per formare un cristallo con reticolo quadrato. La spaziatura tra gli atomi (costante reticolare) è risultata in media pari a 2,65 ± 0,05 , che è significativamente maggiore di quella per la distanza piana dell'indice di Miller (200) per la fase cubica a facce centrate (FCC) o la distanza piana (110) per BCC Fe. Questo risultato è stato sorprendente, perché di solito i reticoli si restringono quando hanno un numero di coordinazione inferiore, un processo noto come contrazione superficiale.

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la spaziatura del reticolo allargata osservata era dovuta alla deformazione che si verifica a causa della mancata corrispondenza del reticolo al bordo del grafene e all'interfaccia della membrana Fe. Infatti, potevano osservare il reticolo rilassarsi (contrarre) verso il centro delle membrane. Il supporto delle indagini teoriche dei ricercatori ha mostrato variazioni nella struttura a bande di una membrana Fe 2D rispetto al Fe bulk. Le differenze erano dovute al fatto che alcuni orbitali elettronici giacevano nel piano e altri erano fuori dal piano, un effetto che non si verifica nel Fe bulk 3D. Le indagini teoriche hanno anche confermato un risultato mostrato da precedenti calcoli teorici secondo cui le membrane Fe 2D dovrebbero avere un momento magnetico significativamente aumentato.

La dimostrazione delle membrane Fe 2D è entusiasmante perché mostra che è possibile ottenere materiali 2D indipendenti che non sono ottenuti da materiali sfusi stratificati e che tali materiali 2D possono essere stabili in condizioni ambientali. La tecnica sviluppata dai ricercatori potrebbe aprire la strada alla formazione di nuove strutture 2D. Ci si può aspettare che queste nuove strutture 2D abbiano proprietà fisiche migliorate che potrebbero avere un potenziale in una varietà di applicazioni. Per esempio, le proprietà magnetiche migliorate del Fe 2D atomicamente sottile potrebbero renderli attraenti per i supporti di registrazione magnetici. Possono anche avere proprietà interessanti per applicazioni fotoniche ed elettroniche.