Dopo sei anni di duro lavoro, un gruppo di scienziati dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison ritiene che i minuscoli fogli dell'ossido di zinco semiconduttore che stanno coltivando potrebbero avere enormi implicazioni per il futuro di una serie di dispositivi elettronici e biomedici.

Il gruppo, guidato da Xudong Wang, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UW-Madison, e il ricercatore post-dottorato Fei Wang, ha sviluppato una tecnica per creare fogli quasi bidimensionali di composti che non formano naturalmente materiali così sottili. È la prima volta che una tecnica del genere ha successo.

I ricercatori hanno descritto i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 20 gennaio.

Essenzialmente l'equivalente microscopico di un singolo foglio di carta, un nanofoglio 2-D è un materiale spesso solo pochi atomi. I nanomateriali hanno proprietà elettroniche e chimiche uniche rispetto a materiali composti in modo identico a dimensioni maggiori, scale convenzionali.

"La cosa bella di un nanomateriale 2-D è che, poiché è un foglio, è molto più facile da manipolare per noi rispetto ad altri tipi di nanomateriali, " dice Xudong Wang.

Fino ad ora, gli scienziati dei materiali si sono limitati a lavorare con nanofogli 2D presenti in natura. Queste strutture naturali 2-D includono grafene, un singolo strato di grafite, e un numero limitato di altri composti.

Lo sviluppo di un metodo affidabile per sintetizzare e produrre nanofogli 2-D da altri materiali è stato per anni un obiettivo dei ricercatori sui materiali e dell'industria delle nanotecnologie.

Nella loro tecnica, il team di UW-Madison ha applicato un tensioattivo appositamente formulato, una sostanza simile a un detergente, sulla superficie di un liquido contenente ioni di zinco.

Grazie alle sue proprietà chimiche, il tensioattivo si assembla in un unico strato sulla superficie del liquido, con ioni solfato carichi negativamente puntati nella direzione del liquido. Quegli ioni solfato attirano gli ioni di zinco caricati positivamente dall'interno del liquido alla superficie, e nel giro di un paio d'ore vengono estratti ioni di zinco sufficienti per formare nanofogli continui di ossido di zinco dello spessore di pochi strati atomici.

Xudong Wang ha avuto per la prima volta l'idea di utilizzare un tensioattivo per coltivare nanofogli durante una conferenza che stava tenendo in un corso sulla nanotecnologia nel 2009.

"Il corso prevede una lezione sull'autoassemblaggio di monostrati, " dice. "Nelle condizioni corrette, un tensioattivo si autoassembla per formare un monostrato. Questo è un processo ben noto che insegno in classe. Quindi mentre insegni questo, Mi chiedevo perché non saremmo stati in grado di invertire questo metodo e utilizzare prima il monostrato di tensioattivo per far crescere la faccia cristallina".

Dopo cinque anni di tentativi ed errori con diverse soluzioni tensioattive, l'idea ha pagato.

"Siamo molto entusiasti di questo, " dice Xudong Wang. "Questo è sicuramente un nuovo modo per fabbricare nanofogli 2-D, e ha un grande potenziale per diversi materiali e per molte applicazioni diverse."

Già, i ricercatori hanno scoperto che i nanofogli di ossido di zinco 2-D che hanno coltivato sono in grado di funzionare come transistor semiconduttori chiamati di tipo p, il comportamento elettronico opposto dell'ossido di zinco naturale. I ricercatori hanno tentato per qualche tempo di produrre ossido di zinco con proprietà di semiconduttore di tipo p affidabili.

L'ossido di zinco è un componente molto utile dei materiali elettronici, e i nuovi nanosheet possono essere utilizzati nei sensori, trasduttori e dispositivi ottici.

Ma i nanosheet di ossido di zinco sono solo i primi di quella che potrebbe essere una rivoluzione nei nanomateriali 2-D. Già, il team di UW-Madison sta applicando il suo metodo tensioattivo alla crescita di nanofogli 2-D di oro e palladio, e la tecnica è promettente per la crescita di nanofogli da tutti i tipi di metalli che non li formerebbero naturalmente.

"Porta molti nuovi materiali funzionali a questa categoria di materiali 2-D, " dice Wang.