Dopo l'isolamento del grafene nel 2004, iniziò una corsa per sintetizzare nuovi materiali bidimensionali. Si tratta di sostanze monostrato con uno spessore compreso tra un atomo e pochi nanometri (miliardesimi di metro). Hanno proprietà uniche legate alla loro ridotta dimensionalità e svolgono un ruolo chiave nello sviluppo della nanotecnologia e della nanoingegneria.

Un gruppo internazionale di ricercatori, compresi scienziati brasiliani affiliati all'Università di Campinas (UNICAMP), sono riusciti a produrre un nuovo materiale con queste caratteristiche.

I ricercatori hanno estratto un materiale 2-D che chiamano ematene dal normale minerale di ferro. Il materiale ha uno spessore di soli tre atomi e si pensa che abbia proprietà fotocatalitiche migliorate. Questa innovazione è descritta in un articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura .

"Il materiale che abbiamo sintetizzato può fungere da fotocatalizzatore per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, in modo che l'elettricità possa essere generata dall'idrogeno, tra molte altre potenziali applicazioni, " ha detto Douglas Soares Galvão, uno degli autori dello studio e co-investigatore principale al CCES.

Il nuovo materiale è stato esfoliato dall'ematite, uno dei minerali più comuni sulla Terra e la principale fonte di ferro, qual è il metallo più economico, utilizzato in molti prodotti e soprattutto per produrre acciaio.

A differenza del carbonio e della sua forma 2-D grafene, l'ematite è un materiale non van der Waals, il che significa che è tenuto insieme da reti di legame 3-D piuttosto che da interazioni atomiche di van der Waals non chimiche e relativamente più deboli, che sono non covalenti (non comportano la condivisione di una o più coppie di elettroni da parte degli atomi che partecipano al legame).

Poiché è un minerale naturale, è molto orientato, grandi cristalli ed è un materiale non van der Waals, i ricercatori ritengono che l'ematite sia un eccellente precursore per l'esfoliazione di nuovi materiali 2-D.

"La maggior parte dei materiali 2-D sintetizzati fino ad oggi sono stati derivati ​​da campioni di solidi di van der Waals. I materiali 2-D non van der Waals con strati atomici altamente ordinati e grani grandi sono ancora rari, " disse Galvao.

L'ematene è stato sintetizzato dall'esfoliazione in fase liquida del minerale di ematite in un solvente organico, N, N-dimetilformammide (DMF). La microscopia elettronica a trasmissione ha confermato l'esfoliazione e la formazione di ematene in fogli singoli con uno spessore di soli tre atomi di ferro e ossigeno (monostrato) e in fogli a doppio strato impilati casualmente.

Sono stati eseguiti test e calcoli matematici per studiare le proprietà magnetiche dell'ematene. I risultati hanno mostrato che differivano dalle proprietà magnetiche dell'ematite. Mentre l'ematite nativa è antiferromagnetica, l'ematene è ferromagnetico, come un comune magnete. Nei ferromagneti, i dipoli sono paralleli e allineati nella stessa direzione. Negli antiferromagneti, i dipoli sono antiparalleli e allineati in direzioni opposte.

"Nei ferromagneti, i momenti magnetici degli atomi puntano nella stessa direzione. Negli antiferromagneti, i momenti negli atomi adiacenti si alternano, " ha spiegato Galvão.

Fotocatalizzatore efficiente

I ricercatori hanno anche analizzato le proprietà fotocatalitiche dell'ematene, la sua capacità di aumentare la velocità di una reazione chimica quando viene energizzata dalla luce. I risultati hanno mostrato che la fotocatalisi per ematene è più efficiente della fotocatalisi per ematite, le cui proprietà fotocatalitiche sono ben note ma non abbastanza forti per essere utili.

Affinché un materiale sia un fotocatalizzatore efficiente, deve assorbire la parte visibile della luce solare, generare una carica elettrica, e trasportarlo sulla superficie del materiale per effettuare la reazione desiderata.

L'ematite assorbe la luce solare dall'ultravioletto alla regione giallo-arancione, ma la carica che produce è di breve durata. Di conseguenza, svanisce prima di raggiungere la superficie.

La fotocatalisi dell'ematene è più efficiente perché i fotoni generano cariche sia negative che positive all'interno di pochi atomi della superficie, hanno detto i ricercatori. Accoppiando il nuovo materiale con array di nanotubi di biossido di titanio, che forniscono un percorso facile per gli elettroni per lasciare l'ematene, gli scienziati hanno scoperto che potrebbero consentire l'assorbimento di più luce visibile.

"L'ematene può essere un fotocatalizzatore efficiente, soprattutto per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, e potrebbe anche servire come materiale magnetico ultrasottile per dispositivi basati sulla spintronica, " ha affermato il ricercatore FAPESP RIDC. La spintronica (o magnetoelettronica) è una nuova tecnologia utilizzata per archiviare, visualizzare ed elaborare le informazioni in base ai cambiamenti provocati dallo spin di un elettrone, che è direttamente accoppiato al suo momento magnetico.

Il gruppo ha studiato altri materiali non van der Waals per il loro potenziale di dare origine ad altri materiali 2-D con proprietà esotiche. "Esistono numerosi altri ossidi di ferro e suoi derivati ​​che sono candidati per l'origine di nuovi materiali 2-D, " disse Galvao.