Un team di scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), La Northwestern University e la Stony Brook University hanno, per la prima volta, ha creato un foglio bidimensionale di boro, un materiale noto come borofene.

Gli scienziati si sono interessati ai materiali bidimensionali per le loro caratteristiche uniche, coinvolgendo in particolare le loro proprietà elettroniche. Il borofene è un materiale insolito perché mostra molte proprietà metalliche su scala nanometrica anche se tridimensionale, o alla rinfusa, il boro è non metallico e semiconduttore.

Poiché il borofene è sia metallico che atomicamente sottile, è promettente per possibili applicazioni che vanno dall'elettronica al fotovoltaico, ha detto il nanoscienziato di Argonne Nathan Guisinger, che ha condotto l'esperimento. "Nessuna forma sfusa di boro elementare ha questo comportamento simile al metallo, " Egli ha detto.

Lo studio sarà pubblicato il 18 dicembre dalla rivista Scienza .

Come il carbonio vicino alla sua tavola periodica, che appare in natura in forme che vanno dall'umile grafite al prezioso diamante, il boro ha diverse facce, chiamati allotropi. Ma è qui che finiscono le somiglianze. Mentre la grafite è composta da pile di fogli bidimensionali che possono essere staccati uno alla volta, non esiste un processo analogo per produrre boro bidimensionale.

"I borofeni sono estremamente intriganti perché sono molto diversi dai materiali bidimensionali studiati in precedenza, " disse Guisinger. "E poiché non appaiono in natura, la sfida consisteva nel progettare un esperimento per produrli sinteticamente nel nostro laboratorio."

Sebbene siano noti almeno 16 allotropi sfusi di boro, gli scienziati non erano mai stati in grado di fare un intero foglio, o monostrato, di borofene. "Solo nel recente passato i ricercatori sono stati in grado di produrre minuscoli frammenti di boro su scala nanometrica, " ha detto Andrew Mannix, uno studente laureato del Northwestern e primo autore dello studio. "Questo è un materiale nuovo di zecca con proprietà entusiasmanti che stiamo appena iniziando a studiare".

"Il boro ha una storia ricca e leggendaria e una chimica molto complicata, " ha aggiunto Mark Hersam, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering and Applied Science della Northwestern, che ha aiutato a consigliare Mannix. "Questo è qualcosa che avrebbe potuto facilmente non funzionare, ma Andy ha avuto il coraggio e la perseveranza per farlo accadere".

Una delle caratteristiche più insolite del boro consiste nella sua configurazione atomica su scala nanometrica. Mentre altri materiali bidimensionali sembrano più o meno come piani perfettamente lisci e uniformi su scala nanometrica, il borofene sembra cartone ondulato, instabilità su e giù a seconda di come gli atomi di boro si legano l'uno all'altro, secondo Mannix.

Le "creste" di questa struttura simile al cartone danno luogo a un fenomeno materiale noto come anisotropia, in cui le proprietà meccaniche o elettroniche di un materiale, come la sua conduttività elettrica, diventano dipendenti dalla direzione. "Questa anisotropia estrema è rara nei materiali bidimensionali e non è mai stata vista prima in un metallo bidimensionale, "Ha detto Mannix.

Sulla base di previsioni teoriche delle caratteristiche del borofene, i ricercatori hanno anche notato che probabilmente ha una resistenza alla trazione più elevata rispetto a qualsiasi altro materiale noto. La resistenza alla trazione si riferisce alla capacità di un materiale di resistere alla rottura quando viene separato. "Altri materiali bidimensionali sono noti per avere un'elevata resistenza alla trazione, ma questo potrebbe essere il materiale più resistente che abbiamo ancora trovato, " ha detto Guisinger.

La scoperta e la sintesi del borofene è stata aiutata dal lavoro di simulazione al computer condotto dai ricercatori di Stony Brook Xiang-Feng Zhou e Artem Oganov, che è attualmente affiliato all'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e all'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo. Oganov e Zhou hanno utilizzato metodi di simulazione avanzati che hanno mostrato la formazione delle pieghe della superficie ondulata.

"A volte gli sperimentali trovano un materiale e ci chiedono di risolvere la struttura, e a volte facciamo prima delle previsioni e l'esperimento convalida ciò che troviamo, " ha detto Oganov. "I due vanno mano nella mano, e in questa collaborazione internazionale abbiamo avuto un po' di entrambe le cose."

"Il legame che abbiamo tra le istituzioni ci permette di realizzare cose che non potremmo fare da soli, "Hersam ha aggiunto. "Avevamo bisogno di combinare la microscopia a effetto tunnel con la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la microscopia elettronica a trasmissione per ottenere una visione della superficie del materiale e verificarne lo spessore su scala atomica e le proprietà chimiche".

Man mano che crescevano il monostrato di borofene, i ricercatori hanno scoperto un altro vantaggio all'interno della loro tecnica sperimentale. A differenza dei precedenti esperimenti che utilizzavano gas altamente tossici nella produzione di materiali a base di boro su scala nanometrica, questo esperimento ha coinvolto una tecnica non tossica chiamata evaporazione a fascio di elettroni, che essenzialmente vaporizza un materiale sorgente e quindi condensa un film sottile su un substrato, in questo caso, boro su argento.

"Quando abbiamo svolto il nostro lavoro teorico, Avevo dei dubbi sulla fattibilità di ottenere boro bidimensionale perché il boro ama formare cluster, e stirarlo in due dimensioni ho pensato che sarebbe stato impegnativo, " Ha detto Oganov. "Si è scoperto che crescere sul substrato era la chiave, perché il boro e l'argento risultano non reagire l'uno con l'altro."