Un team di ricerca guidato dall'UCLA ha prodotto mappe tridimensionali sperimentali con dettagli senza precedenti degli atomi in un cosiddetto materiale 2-D:materia che non è veramente bidimensionale ma è quasi piatta perché è disposta in strati estremamente sottili, non più di pochi atomi di spessore.

Sebbene le tecnologie basate sui materiali 2-D non siano ancora state ampiamente utilizzate nelle applicazioni commerciali, i materiali sono stati oggetto di notevole interesse di ricerca. Nel futuro, potrebbero essere la base per i semiconduttori nell'elettronica sempre più piccola, componenti del computer quantistico, batterie più efficienti, o filtri in grado di estrarre acqua dolce da acqua salata.

La promessa dei materiali 2-D deriva da alcune proprietà che differiscono da come si comportano gli stessi elementi o composti quando compaiono in quantità maggiori. Queste caratteristiche uniche sono influenzate da effetti quantistici, fenomeni che si verificano su scale estremamente piccole che sono fondamentalmente diversi dalla fisica classica vista su scale più grandi. Ad esempio, quando il carbonio è disposto in uno strato atomicamente sottile per formare grafene 2-D, è più forte dell'acciaio, conduce il calore meglio di qualsiasi altro materiale conosciuto, e ha una resistenza elettrica quasi nulla.

Ma l'utilizzo di materiali 2D nelle applicazioni del mondo reale richiederebbe una maggiore comprensione delle loro proprietà, e la capacità di controllare tali proprietà. Il nuovo studio, che è stato pubblicato in Materiali della natura , potrebbe essere un passo avanti in questo sforzo.

I ricercatori hanno dimostrato che le loro mappe 3D della struttura atomica del materiale sono precise alla scala del picometro, misurate in un trilionesimo di metro. Hanno usato le loro misurazioni per quantificare i difetti nel materiale 2-D, che possono influenzare le loro proprietà elettroniche, nonché per valutare accuratamente tali proprietà elettroniche.

"La particolarità di questa ricerca è che determiniamo le coordinate dei singoli atomi in tre dimensioni senza utilizzare alcun modello preesistente, " ha detto l'autore corrispondente Jianwei "John" Miao, un professore di fisica e astronomia dell'UCLA. "E il nostro metodo può essere utilizzato per tutti i tipi di materiali 2-D".

Miao è il vicedirettore dello STROBE National Science Foundation Science and Technology Center e membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA. Il suo laboratorio UCLA ha collaborato allo studio con ricercatori dell'Università di Harvard, Oak Ridge National Laboratory e Rice University.

I ricercatori hanno esaminato un singolo strato di bisolfuro di molibdeno, un materiale 2-D frequentemente studiato. All'ingrosso, questo composto è usato come lubrificante. Come materiale 2-D, ha proprietà elettroniche che suggeriscono che potrebbe essere impiegato nell'elettronica dei semiconduttori di prossima generazione. I campioni oggetto di studio sono stati "drogati" con tracce di renio, un metallo che aggiunge elettroni di riserva quando sostituisce il molibdeno. Questo tipo di drogaggio viene spesso utilizzato per produrre componenti per computer ed elettronica perché aiuta a facilitare il flusso di elettroni nei dispositivi a semiconduttore.

Per analizzare il materiale 2-D, i ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnologia da loro sviluppata basata sulla microscopia elettronica a trasmissione a scansione, che produce immagini misurando gli elettroni sparsi trasmessi attraverso campioni sottili. Il team di Miao ha ideato una tecnica chiamata tomografia a scansione di elettroni atomici, che produce immagini 3D catturando un campione da più angolazioni mentre ruota.

Gli scienziati hanno dovuto evitare una grande sfida per produrre le immagini:i materiali 2-D possono essere danneggiati da un'eccessiva esposizione agli elettroni. Quindi per ogni campione, i ricercatori hanno ricostruito le immagini sezione per sezione e poi le hanno unite per formare un'unica immagine 3D, consentendo loro di utilizzare meno scansioni e quindi una dose inferiore di elettroni rispetto a se avessero ripreso l'intero campione contemporaneamente.

I due campioni misuravano ciascuno 6 nanometri per 6 nanometri, e ciascuna delle sezioni più piccole misurava circa 1 nanometro per 1 nanometro. (Un nanometro è un miliardesimo di metro.)

Le immagini risultanti hanno permesso ai ricercatori di ispezionare la struttura 3-D dei campioni con una precisione di 4 picometri nel caso di atomi di molibdeno, 26 volte più piccoli del diametro di un atomo di idrogeno. Quel livello di precisione ha permesso loro di misurare le increspature, deformazione che distorce la forma del materiale, e variazioni nella dimensione dei legami chimici, tutti i cambiamenti causati dal renio aggiunto, che segna la misurazione più accurata di quelle caratteristiche in un materiale 2-D.

"Se assumiamo semplicemente che l'introduzione del drogante sia una semplice sostituzione, non ci aspetteremmo grandi ceppi, " disse Xuezeng Tian, il co-primo autore del documento e uno studioso postdottorato dell'UCLA. "Ma ciò che abbiamo osservato è più complicato di quanto abbiano dimostrato gli esperimenti precedenti".

Gli scienziati hanno scoperto che i maggiori cambiamenti si sono verificati nella dimensione più piccola del materiale 2-D, la sua altezza di tre atomi. È bastato un solo atomo di renio per introdurre tale distorsione locale.

Armati di informazioni sulle coordinate 3D del materiale, gli scienziati di Harvard guidati dal professor Prineha Narang hanno eseguito calcoli di meccanica quantistica delle proprietà elettroniche del materiale.

"Questi esperimenti su scala atomica ci hanno fornito una nuova lente su come si comportano i materiali 2-D e su come dovrebbero essere trattati nei calcoli, e potrebbero essere un punto di svolta per le nuove tecnologie quantistiche, " ha detto Narang.

Senza accesso al tipo di misurazioni generate nello studio, tali calcoli quantomeccanici sono stati convenzionalmente basati su un sistema modello teorico previsto a una temperatura di zero assoluto.

Lo studio ha indicato che le coordinate 3-D misurate hanno portato a calcoli più accurati delle proprietà elettroniche del materiale 2-D.

"Il nostro lavoro potrebbe trasformare i calcoli della meccanica quantistica utilizzando coordinate atomiche 3D sperimentali come input diretto, ", ha affermato lo studioso postdottorato dell'UCLA Dennis Kim, co-primo autore dello studio. "Questo approccio dovrebbe consentire agli ingegneri dei materiali di prevedere e scoprire meglio nuovi materiali fisici, proprietà chimiche ed elettroniche dei materiali 2-D a livello di singolo atomo."