Dopo che il grafene è stato prodotto per la prima volta in laboratorio nel 2004, migliaia di laboratori hanno iniziato a sviluppare prodotti in grafene in tutto il mondo. I ricercatori sono rimasti stupiti dalle sue proprietà leggere e ultra resistenti. Dieci anni dopo, gli scienziati ora cercano altri materiali che abbiano lo stesso livello di potenziale.

"Continuiamo a lavorare con il grafene, e ci sono alcune applicazioni in cui funziona molto bene, " ha detto Mark Hersam, la cattedra Bette e Neison Harris in Teaching Excellence presso la McCormick School of Engineering and Applied Science della Northwestern University, chi è un esperto di grafene. "Ma non è la risposta a tutti i problemi del mondo."

Parte di una famiglia di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, bisolfuro di molibdeno (MoS2) è emerso come materiale all'avanguardia per l'esplorazione nel laboratorio di Hersam. Come il grafene, può essere esfoliato in fogli atomicamente sottili. Mentre si assottiglia al limite atomico, diventa fluorescente, rendendolo utile per l'optoelettronica, come diodi emettitori di luce, o dispositivi di assorbimento della luce, come le celle solari. MoS2 è anche un vero semiconduttore, rendendolo un ottimo candidato per l'elettronica, e storicamente è stato utilizzato in catalisi per rimuovere lo zolfo dal petrolio greggio, che impedisce le piogge acide.

La sfida di Hersam era trovare un modo per isolare fogli atomicamente sottili di questo materiale promettente su scala più ampia. Negli ultimi sei anni, il suo laboratorio ha sviluppato metodi per esfoliare sottili strati di grafene dalla grafite, utilizzando metodi basati sulla soluzione.

"Penseresti che sarebbe facile fare la stessa cosa per il bisolfuro di molibdeno, " ha detto. "Ma il problema è che mentre l'esfoliazione è simile al grafene, la separazione è considerevolmente più impegnativa."

La ricerca di Hersam è descritta nel documento "Smistamento dello spessore di dichalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali tramite ultracentrifugazione a gradiente assistita da copolimero, " che è stato pubblicato nel numero del 13 novembre di Comunicazioni sulla natura .

Per ordinare gli strati di grafene, Hersam usava la forza centrifuga per separare i materiali per densità. Per fare questo, lui e il suo gruppo hanno aggiunto il materiale a una provetta da centrifuga insieme a un gradiente di soluzione a base d'acqua. Alla centrifugazione, le specie più dense si muovono verso il basso, creando strati di densità all'interno della provetta da centrifuga. Il grafene si ordina in fogli a strato singolo verso l'alto, poi fogli a doppio strato, tristrato, e così via. Poiché il grafene ha una densità relativamente bassa, si ordina facilmente rispetto ai materiali a densità più elevata.

"Se uso lo stesso identico processo con il bisolfuro di molibdeno, la sua maggiore densità lo farà schiantare, " disse Hersam. "Supera la densità massima del gradiente, che richiedeva una soluzione innovativa."

Hersam aveva bisogno di prendere il materiale intrinsecamente denso e ridurne efficacemente la densità senza cambiare il materiale stesso. Si rese conto che questo obiettivo poteva essere raggiunto regolando la densità delle molecole utilizzate per disperdere MoS2. In particolare, l'uso di disperdenti polimerici più voluminosi ha consentito di ridurre la densità effettiva di MoS2 nell'intervallo del gradiente di densità. In questo modo, i fogli di MoS2 galleggiavano in posizioni stratificate invece di raccogliersi sul fondo della provetta da centrifuga. Questa tecnica funziona non solo per MoS2, ma per altri materiali della famiglia dei dicalcogenuri dei metalli di transizione.

"Ora possiamo isolare un singolo strato, doppio strato, o dicalcogenuri di metalli di transizione a tre strati in modo scalabile, " ha detto Hersam. "Questo processo ci consentirà di esplorare la loro utilità in applicazioni su larga scala, come l'elettronica, optoelettronica, catalisi, e celle solari".