Un pizzico di sale può semplificare la creazione di materiali bidimensionali, e grazie agli scienziati della Rice University, il motivo sta diventando chiaro.

Boris Yakobson, un professore di scienze dei materiali e nanoingegneria e di chimica, era l'esperto di riferimento quando un gruppo di laboratori a Singapore, Cina, Giappone e Taiwan hanno usato il sale per creare una "biblioteca" di materiali 2-D che combinavano metalli di transizione e calcogeni.

Questi composti potrebbero portare a transistor più piccoli e più veloci, fotovoltaico, sensori e catalizzatori, secondo i ricercatori.

Attraverso simulazioni di dinamica molecolare di primo principio e calcoli energetici accurati, Yakobson e i suoi colleghi hanno determinato che il sale riduce la temperatura alla quale alcuni elementi interagiscono in un forno a deposizione chimica da fase vapore (CVD). Ciò semplifica la formazione di strati spessi atomici simili al grafene ma con la possibilità di personalizzare la loro composizione chimica per materiale di strato specifico e di conseguenza elettrico, ottico, proprietà catalitiche e altre proprietà utili.

Il gruppo di ricerca che comprende il ricercatore postdottorato Yakobson e Rice Yu Xie e lo studente laureato Jincheng Lei ha riportato i suoi risultati questa settimana in Natura .

Il team guidato da Zheng Liu della Nanyang Technological University di Singapore ha utilizzato la sua tecnica condita con CVD per creare 47 composti di calcogenuri metallici (che contengono un calcogeno e un metallo elettropositivo). La maggior parte dei nuovi composti aveva due ingredienti, ma alcuni erano leghe di tre, quattro e anche cinque. Molti dei materiali erano stati immaginati e persino ambiti, Yakobson ha detto, ma mai realizzato.

Nel processo CVD, atomi eccitati dalle temperature, in questo caso tra 600 e 850 gradi Celsius (1, 112 e 1, 562 gradi Fahrenheit) - forma un gas e alla fine si deposita su un substrato, legandosi ad atomi di chimica complementare per formare cristalli monostrato.

I ricercatori già sospettavano che il sale potesse facilitare il processo, ha detto Yakobson. Liu è andato da lui per richiedere un'analisi del modello molecolare per sapere perché il sale ha reso più facile fondere i metalli con i calcogeni e farli reagire. Ciò li aiuterebbe a capire se potrebbe funzionare all'interno della tavolozza più ampia della tavola periodica.

"Hanno svolto un lavoro straordinariamente ampio per realizzare molti nuovi materiali e per caratterizzarli in modo completo, " Yakobson ha detto. "Dal nostro punto di vista teorico, la novità in questo studio è che ora abbiamo una migliore comprensione del motivo per cui l'aggiunta di sale naturale abbassa il punto di fusione di questi ossidi metallici e soprattutto riduce le barriere energetiche degli intermedi sulla strada per trasformarli in calcogenuri".

Sia sotto forma di comune sale da tavola (cloruro di sodio) che di composti più esotici come lo ioduro di potassio, è stato scoperto che il sale consente reazioni chimiche abbassando la barriera energetica che altrimenti impedisce alle molecole di interagire a temperature inferiori a quelle ultraelevate, ha detto Yakobson.

"Lo chiamo un 'assalto al sale, '", ha detto. "Questo è importante per la sintesi. Primo, quando provi a combinare particelle solide, non importa quanto siano piccoli, hanno ancora un contatto limitato tra loro. Ma se li sciogli, con l'aiuto del sale, ottieni molti contatti a livello molecolare.

"Secondo, il sale riduce il punto di sublimazione, dove un solido subisce una trasformazione di fase in gas. Significa che più molecole componenti del materiale saltano nella fase gassosa. Questo è positivo per i problemi generali di trasporto e di contatto e aiuta la reazione in generale".

The Rice team discovered the process doesn't facilitate the formation of the 2-D-material itself directly so much as it allows for the formation of intermediate oxychlorides. These oxychlorides then lead to the 2-D chalcogenide growth.

Detailing this process required intensive atom-by-atom simulations, ha detto Yakobson. These took weeks of heavy-duty computations of the quantum interactions among as few as about 100 atoms – all to show just 10 picoseconds of a reaction. "We only did four of the compounds because they were so computationally expensive, and the emerging picture was clear enough, "Ha detto Yakobson.