Un nuovo materiale piatto dello spessore di un atomo che potrebbe eclissare il meraviglioso materiale grafene e far progredire la tecnologia digitale è stato scoperto da un fisico dell'Università del Kentucky che lavora in collaborazione con scienziati di Daimler in Germania e l'Istituto per la struttura elettronica e il laser (IESL) in Grecia.

Segnalato in Revisione fisica B, il nuovo materiale è costituito da silicio, boro e azoto:tutto leggero, elementi economici e abbondanti in terra - ed è estremamente stabile, una proprietà che manca a molte altre alternative al grafene.

"Abbiamo usato simulazioni per vedere se i legami si sarebbero spezzati o disintegrati - non è successo, " ha detto Madhu Menon, un fisico nel Centro britannico per le scienze computazionali. "Abbiamo riscaldato il materiale fino a 1, 000 gradi Celsius e ancora non si è rotto."

Utilizzando calcoli teorici all'avanguardia, Menon e i suoi collaboratori Ernst Richter di Daimler ed ex socio di ricerca post-dottorato del Dipartimento di Fisica e Astronomia del Regno Unito, e Antonis Andriotis dell'IESL, hanno dimostrato che combinando i tre elementi, è possibile ottenere uno spessore di un atomo, materiale veramente 2D con proprietà che possono essere ottimizzate per adattarsi a varie applicazioni oltre a ciò che è possibile con il grafene.

Sebbene il grafene sia pubblicizzato come il materiale più resistente al mondo con molte proprietà uniche, ha uno svantaggio:non è un semiconduttore e quindi delude nel settore della tecnologia digitale. La successiva ricerca di nuovi materiali semiconduttori 2D ha portato i ricercatori a una nuova classe di materiali a tre strati chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC). I TMDC sono per lo più semiconduttori e possono essere trasformati in processori digitali con una maggiore efficienza rispetto a qualsiasi cosa possibile con il silicio. Però, questi sono molto più ingombranti del grafene e realizzati con materiali che non sono necessariamente abbondanti e poco costosi.

Alla ricerca di un'opzione migliore che sia leggera, terra abbondante, poco costoso e un semiconduttore, il team guidato da Menon ha studiato diverse combinazioni di elementi della prima e della seconda riga della tavola periodica.

Sebbene ci siano molti modi per combinare il silicio, boro e azoto per formare strutture planari, solo una disposizione specifica di questi elementi ha portato a una struttura stabile. Gli atomi nella nuova struttura sono disposti secondo uno schema esagonale come nel grafene, ma è qui che finisce la somiglianza.

I tre elementi che compongono il nuovo materiale hanno tutti dimensioni differenti; anche i legami che uniscono gli atomi sono diversi. Di conseguenza, i lati degli esagoni formati da questi atomi sono disuguali, a differenza del grafene. Il nuovo materiale è metallico, ma può essere reso semiconduttore facilmente attaccando altri elementi sopra gli atomi di silicio.

La presenza del silicio offre anche l'eccitante possibilità di una perfetta integrazione con l'attuale tecnologia basata sul silicio, permettendo all'industria di allontanarsi lentamente dal silicio invece di eliminarlo completamente, tutto in una volta.

"Sappiamo che la tecnologia basata sul silicio sta raggiungendo il suo limite perché stiamo mettendo insieme sempre più componenti e rendendo i processori elettronici sempre più compatti, " Menon ha detto. "Ma sappiamo che questo non può andare avanti all'infinito; abbiamo bisogno di materiali più intelligenti".

Per di più, oltre a creare un band gap elettronico, l'attaccamento di altri elementi può essere utilizzato anche per modificare selettivamente i valori del gap di banda, un vantaggio chiave rispetto al grafene per la conversione dell'energia solare e le applicazioni elettroniche.

Sono stati proposti altri materiali simili al grafene, ma mancano dei punti di forza del materiale scoperto da Menon e dal suo team. silicio, Per esempio, non ha una superficie piana e alla fine forma una superficie 3D. Altri materiali sono altamente instabili, alcuni solo per poche ore al massimo.

La maggior parte dei calcoli teorici richiesti è stata eseguita sui computer del Centro britannico per le scienze computazionali con i collaboratori Richter e Andriotis che vi accedono direttamente attraverso reti veloci. Ora il team sta lavorando in stretta collaborazione con un team guidato da Mahendra Sunkara del Conn Center for Renewable Energy Research dell'Università di Louisville per creare il materiale in laboratorio. Il team del Conn Center ha avuto una stretta collaborazione con Menon su una serie di nuovi sistemi di materiali in cui sono stati in grado di testare la sua teoria con esperimenti per una serie di diversi nuovi materiali solari.

"Siamo molto ansiosi che questo venga realizzato in laboratorio, " disse Menon. "La prova definitiva di ogni teoria è la verifica sperimentale, quindi prima è, meglio è!"

Alcune delle proprietà, come la capacità di formare vari tipi di nanotubi, sono discussi nel documento, ma Menon si aspetta che emergano di più con ulteriori studi.

"Questa scoperta apre un nuovo capitolo nella scienza dei materiali offrendo nuove opportunità ai ricercatori per esplorare la flessibilità funzionale e nuove proprietà per nuove applicazioni, " ha detto. "Ci possiamo aspettare alcune sorprese."