Il materiale più resistente conosciuto dall'umanità è stato scoperto per la prima volta con del nastro adesivo. Oggi, questa versione bidimensionale (2-D) del carbonio nota come grafene è oggetto di intense ricerche in tutto il mondo. Molti sperano che le sue proprietà uniche possano portare a scoperte in campi dall'elettronica alla medicina.

Per 2-D intendiamo che è costituito da un singolo strato di atomi. Nel caso del grafene, questi sono disposti in uno schema esagonale che aiuta a renderlo incredibilmente forte. Conduce anche elettricità e calore a livelli senza precedenti, è impermeabile ai gas e può essere sia fragile che duttile.

Eppure, mentre il grafene ha ricevuto un'attenzione incredibile e ha fatto vincere ai suoi scopritori un premio Nobel, non è più solo nel mondo dei materiali 2-D. Da allora molti altri materiali simili sono stati previsti e isolati, ciascuno con proprietà strutturali simili al grafene ma anche una varietà di caratteristiche individuali uniche.

Infatti, ci sono così tanti materiali 2-D con una così ampia varietà di proprietà che possiamo usarli efficacemente per progettare e costruire nuovi materiali 3-D con le caratteristiche esatte che vogliamo. Questa idea di un "set Lego" su scala atomica crea possibilità potenzialmente infinite per nuove sostanze.

Teoricamente, quasi tutti i materiali 3D possono avere una controparte 2D. L'elenco finora comprende:silicene (un singolo strato di silicio), fosforene (un singolo strato di fosforo nero), e vari monostrati di composti chimici noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), come il bisolfuro di molibdeno (MoS₂) e il ditelluride di molibdeno (MoTe₂). La ricerca è in corso su probabilmente dozzine di metodi per isolare questi materiali. I due metodi principali utilizzati sono l'esfoliazione meccanica – che è stato il metodo utilizzato per la prima volta per produrre grafene isolando i singoli strati con nastro adesivo – e facendo crescere efficacemente uno strato di cristalli 2-D direttamente su una base piatta.

In pratica, però, ci sono molte limitazioni a ciò che è attualmente possibile. Solo i materiali altamente termicamente e chimicamente stabili possono essere separati in monostrati, che sconta immediatamente molti elementi. E, una volta isolato, molti monostrati metallici in particolare tendono a corrodersi o ossidarsi in modo tale da distruggere le loro proprietà desiderate.

Una volta che hai un materiale 2-D, si può poi sovrapporre ad altre sostanze con proprietà chimiche molto diverse per creare "eterostrutture". Ad esempio possiamo combinare semiconduttori con magneti, o metalli con superconduttori. L'elenco delle possibili combinazioni cresce in modo esponenziale.

Questi possono essere adattati con precisione atomica utilizzando microscopi a scansione a effetto tunnel. Questi metodi comportano la generazione di una corrente elettrica tra una superficie e la punta della sonda atomicamente fine per raccogliere e spostare singoli atomi. Una tale eterostruttura 2-D che è stata realizzata in laboratorio combina monostrati atomici di grafene e nitruro di boro esagonale (h-BN).

Funzionalità completamente nuove

Sia i materiali 2-D che le eterostrutture hanno già trovato molte applicazioni reali e potenziali in un'ampia gamma di aree. Per esempio, il grafene ha reso possibile il sogno di "stampare" circuiti su basi di plastica flessibile, almeno in un laboratorio. Nel futuro, questo potrebbe portare a prodotti di consumo come televisori flessibili, smartphone e dispositivi indossabili più user-friendly.

La scoperta di una moltitudine di altri materiali 2-D ha aperto modi quasi infiniti di combinare proprietà diverse, che potrebbe enormemente migliorare o accelerare lo sviluppo di queste applicazioni. Per esempio, l'utilizzo di h-BN come base per l'elettronica al grafene invece del tradizionale biossido di silicio potrebbe mitigare alcuni dei problemi con la tecnologia. Poiché i monostrati di h-BN sono ultrapiatti e possono essere isolati allo stesso modo del grafene, è possibile rimuovere i difetti atomici nella base che interferiscono con le proprietà del foglio di grafene.

Per di più, i progressi nella ricerca sui materiali 2-D stanno consentendo un nuovo modo di rendere i processori dei computer ancora più veloci; qualcosa che è visto come vitale per mantenere il progresso della tecnologia elettronica. I chip dei computer fanno i loro calcoli utilizzando un gran numero di transistor, ognuno dei quali funziona spostando elettroni tra diversi strati di materiale semiconduttore. Avere più di un tipo di materiale 2-D significa che puoi usarli per rendere ciascuno dei diversi strati di semiconduttori dello spessore di un solo atomo. Man mano che i transistor diventano più piccoli, più di loro possono essere posizionati su ciascun chip del computer, e questo poi porta naturalmente alla produzione di processori più veloci.

Potremmo anche vedere il grafene e altri materiali 2-D usati per aiutare a generare e immagazzinare energia. Per esempio, le eterostrutture a base di grafene possono essere utilizzate per aiutare a creare celle solari e a combustibile altamente efficienti e flessibili. Queste eterostrutture vengono utilizzate anche per sviluppare batterie e supercondensatori di nuova generazione, che promettono una ricarica più rapida e una maggiore produzione di energia. Gli scienziati sono persino riusciti a creare versioni 2-D di materiali che in precedenza erano stati anche se impossibili, come una versione 2-D della perovskite minerale, che potrebbe essere utilizzato per migliorare i LED.

Con la crescita delle auto elettriche e di aziende come Tesla che ci porta verso un futuro di soluzioni di conversione e stoccaggio dell'energia più ecologiche, ci sarà sicuramente un'enorme attenzione su questo tipo di tecnologia per il prossimo futuro.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.