Joshua Robinson ricorda il giorno del 2006 in cui ha appreso di un materiale che è, a tutti gli effetti pratici, bidimensionale.

Al tempo, era un ricercatore post-dottorato presso il Naval Research Laboratory di Washington, D.C. Il suo consigliere, Eric Neve, era entusiasta del grafene, una forma di carbonio appena isolata. Un cugino del noto buckminsterfullerene (o "buckyballs") e dei nanotubi di carbonio, il grafene era un foglio piatto dello spessore di un solo atomo di carbonio. Gli atomi erano collegati tra loro in una forma esagonale, modello di filo di pollo, formando un reticolo con proprietà sorprendenti. era flessibile, trasparente, e più forte dell'acciaio. Conduceva l'elettricità meglio del rame e il calore meglio di qualsiasi altra cosa. In breve, il carbonio in questa forma non si comportava più come il carbonio. Si è comportato come un materiale completamente nuovo.

Il grafene divenne noto come il primo bidimensionale, o monostrato, Materiale. Infatti, a un terzo di miliardesimo di metro di spessore, è il più vicino possibile alla bidimensionalità di un oggetto tangibile. Il grafene è 300, 000 volte più sottile della comune carta per stampanti. Se la carta fosse spessa quanto un edificio di sei piani è alto, il grafene sarebbe lo spessore della carta originale.

Robinson era in una posizione ideale per riconoscere l'importanza dei materiali bidimensionali (2D). Stava lavorando con i nanotubi di carbonio, adattandoli per rilevare quantità minime di sostanze sospese nell'aria come quelle emesse da armi chimiche e ordigni esplosivi.

"Il grafene era semplicemente un nanotubo decompresso, "dice Robinson, che ora è un assistente professore e Corning Faculty Fellow presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Penn State. "Eric era così dannatamente eccitato che non ho potuto fare a meno di iniziare a leggere sul grafene, e mi sono innamorato all'istante:questo "nuovo materiale" sembrava troppo bello per essere vero".

Ostacoli

Scienziati, ingegneri, e gli investitori di tutto il mondo si sono entusiasmati per il grafene, soprattutto il suo potenziale per rivoluzionare l'elettronica. Il termine "post-silicio" è stato coniato per descrivere questa nuova frontiera, e nel 2010 la scoperta e la caratterizzazione iniziale del grafene ha vinto il Premio Nobel per la Fisica.

Ma il passaggio dalla scoperta all'applicazione pratica si è rivelato non così facile. Sebbene gli scienziati dei materiali possano creare una varietà di nuovi materiali 2D utilizzando altri elementi e composti, non sempre potevano prevedere quali proprietà avrebbero avuto quei materiali. I frammenti minuscoli o addirittura microscopici del monostrato erano difficili da manipolare e analizzare, nonostante la loro forza, erano facilmente strappabili e impossibili da realizzare su scala industriale.

Ciò di cui il campo aveva bisogno era una comprensione più profonda dei materiali 2D e delle loro strane proprietà. Per affrontare questa sfida, nel 2013 il Materials Research Institute di Penn State ha avviato il Center for Two Dimensional and Layered Materials (2DLM). Il centro riunisce circa 50 docenti, ricercatori post-dottorato, e studenti della Penn State e di altre istituzioni in tutto il paese. È il primo centro di ricerca a concentrarsi non solo sul grafene ma "oltre il grafene, "Secondo Robinson, direttore associato del centro. "Ha davvero aiutato ad attrarre alcune delle migliori nuove facoltà della nazione, così come molti studenti ad alto rendimento."

Costruzioni

Il lavoro al centro affronta diversi temi generali, come trovare nuovi modi per realizzare materiali 2D e combinare monostrati fatti di diversi composti, sviluppare tecniche per analizzare nuovi materiali e le loro proprietà, capire come l'architettura di un materiale stratificato influenzi le sue proprietà, e trasferimento tecnologico:ricerca di brevetti e ricerca di prodotti commercialmente validi.

Gli scienziati qui hanno realizzato nuovi materiali monostrato combinando una varietà di elementi, come tungsteno o molibdeno con zolfo, gallio o silicio con selenio, e boro con azoto.

Le tecniche migliorate per lo studio dei materiali 2D hanno reso più facile prevedere quali composti formeranno monostrati e come potrebbero comportarsi in quella forma. Come il grafene, questi materiali esibiscono proprietà non viste nelle loro forme tridimensionali. Molti di loro, come il bisolfuro di molibdeno, disolfuro di tungsteno, e una forma di nitruro di boro, sono semiconduttori che offrono la promessa di un'elettronica ultra-piccola. Alcuni sono fotoluminescenti, assorbendo la luce di una lunghezza d'onda e inviando l'energia indietro a un'altra lunghezza d'onda. Potrebbero diventare la base per una nuova generazione di dispositivi che rilevano o emettono luce.

Alcuni prodotti basati su monostrato si stanno ora facendo strada verso applicazioni commerciali.

"Ho visto, toccato e utilizzato display a schermo piatto utilizzando il grafene come conduttore, elettrodo trasparente, "dice Maurizio Terrones, professore di fisica, chimica, e scienza e ingegneria dei materiali, e direttore del 2DLM. "Questo potrebbe essere il primo prodotto sul mercato. Il vantaggio del grafene è realizzare pannelli piatti flessibili, qualcosa che non è possibile fare con la tecnologia attuale."

A Penn State sono in corso importanti progetti volti a trasformare queste tecnologie futuristiche in realtà. La National Science Foundation (NSF) ha recentemente offerto sostegno a tre dei progetti del centro con più di 4 milioni di dollari in borse di ricerca. Il gruppo di Robinson sta sviluppando un nuovo tipo di transistor post-silicio, aprendo la strada a un'elettronica sempre più piccola. Joan Redwing, professore di scienze e ingegneria dei materiali, e il suo team stanno lavorando su come creare materiali bidimensionali a basse temperature, per rendere la produzione più fattibile per l'industria e per permettere ai materiali di formarsi su vetro e plastica. Zhiwen Liu, professore di ingegneria elettrica, e Ana Laura Elias Arriaga, assegnista di ricerca in fisica, stanno lavorando con i colleghi del Rensselaer Polytechnic Institute per sviluppare materiali stratificati da utilizzare nelle tecnologie basate sulla luce.

Sovrapposizione di monostrati

Terrones e Robinson credono che la chiave del successo nel loro campo sarà combinare diversi tipi di monostrati. Il gruppo di Robinson ha lavorato con altri docenti della Penn State e ricercatori dell'Università del Texas a Dallas per indurre diversi materiali bidimensionali a formarsi direttamente uno sopra l'altro.

"Facendo questo, siamo stati in grado di ottenere interfacce davvero pulite tra i livelli, " dice Robinson. "Questa è una chiave per nuovi circuiti nanoelettronici".

Come con i materiali stratificati costituiti da un unico composto, questi materiali "ibridi" mostrano spesso comportamenti inaspettati e potenzialmente utili. Due di questi materiali sono stati realizzati nel laboratorio di Pulickel Ajayan, un membro 2DLM presso la Rice University, e poi inviato a Terrones per l'analisi.

Nel tentativo di rendere i materiali a temperature più basse che mai, un progresso che faciliterebbe la produzione di massa, La squadra di Ajayan aveva inavvertitamente fatto sì che due materiali familiari si stabilissero in nuove relazioni l'uno con l'altro.

A una temperatura, il disolfuro di tungsteno forma uno strato sopra uno strato di bisolfuro di molibdeno. In questa configurazione, i materiali combinati funzionano come un transistor. Ad un'altra temperatura, i due materiali formavano strati uno accanto all'altro sullo stesso piano.

"È come avere due tessuti diversi uniti insieme, ma all'incrocio i due tessuti sono come uno, " dice Terrones. Nella configurazione edge-to-edge, la giunzione tra i due tessuti è un luogo d'incontro dove elettroni e fotoni passano energia avanti e indietro.

"Ora stiamo scoprendo che questi materiali potrebbero avere usi importanti come fotosensori molto veloci e sensibili o persino dispositivi che emettono luce, "dice Terrone.

Il "selvaggio west"

Con scoperte simili che si verificano quasi ogni settimana, sono tornate le previsioni di fantastici nuovi prodotti in arrivo. Questa volta, l'eccitazione ha una solida base di scienza di base e questa volta, gli scienziati e gli ingegneri stanno guardando oltre l'obiettivo iniziale di trasformare il grafene in un nuovo tipo di materiale semiconduttore.

"È probabile che il grafene e altri materiali 2D saranno componenti importanti dei dispositivi elettronici indossabili, " dice Terrones. "Prevedo anche che vedremo questi materiali in rivestimenti "intelligenti" che cambiano proprietà su uno stimolo esterno". I rivestimenti 2D potrebbero combattere ruggine e batteri. Potrebbero servire come rilevatori sensibili della qualità dell'aria. Potrebbero persino scoraggiare cirripedi dalle incrostazioni degli scafi delle barche Le possibilità sembrano illimitate.

Robinson è d'accordo.

"I materiali bidimensionali sono molto più di un sostituto del silicio, " dice. "La cosa fondamentale di '2D' è che è come il selvaggio West in questo momento. C'è un numero quasi inimmaginabile di potenziali applicazioni là fuori. Ma prima dobbiamo capire le loro proprietà di base per essere in grado di identificare al meglio quali applicazioni trarranno beneficio da questi nuovi materiali".