Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e i loro collaboratori della Iowa State University hanno sviluppato un nuovo approccio per generare strati, difficile da combinare, solidi eterostrutturati. Materiali eterostrutturati, composto da strati di elementi costitutivi dissimili mostrano un trasporto elettronico unico e proprietà magnetiche che sono governate da interazioni quantistiche tra i loro elementi costitutivi strutturalmente diversi, e aprire nuove strade per le applicazioni elettroniche ed energetiche.

La tecnica per realizzarli è semplice, e controintuitivo:si tratta di distruggere i materiali incontaminati per costruirne di nuovi. Chiamato meccanochimica, la tecnica utilizza la fresatura a sfere per smontare solidi strutturalmente incommensurabili, quelli che non hanno disposizioni atomiche corrispondenti, e riassemblarli in gruppi etero "disadattati" tridimensionali (3-D) unici. Schiacciare le cose insieme macinando sembra il modo meno plausibile per ottenere l'ordinamento atomico, ma si è rivelato più efficace di quanto gli scienziati stessi immaginassero.

"Un mio collega ha osservato che le nostre idee sarebbero state ingenue o geniali, "ha detto Viktor Balema, Scienziato senior del laboratorio di Ames. "Qualche tempo fa abbiamo scoperto il rimescolamento stocastico di dicalcogenuri metallici a strati (TMDC) in eteroassiemi 3-D durante la fresatura meccanica. È stata una sorpresa per noi e ha suscitato la nostra curiosità sulla possibilità di un ordinamento atomico attraverso l'elaborazione meccanochimica".

I calcogenuri metallici sono spesso unici nelle loro proprietà e usi. Possono mostrare notevoli comportamenti di trasporto degli elettroni che vanno dalla completa mancanza di conduttività elettrica alla superconduttività, proprietà foto e termoelettriche, flessibilità meccanica e, specialmente, la capacità di formare monostrati bidimensionali stabili, eterostrutture tridimensionali, e altri materiali quantistici su scala nanometrica.

"Nanostrutture di composti stratificati disadattati (MLC) sotto forma di nanotubi, nanofilm (ferecrystals) e fogli esfoliati sono stati studiati per oltre un decennio e offrono un ricco campo di ricerca e forse anche interessanti applicazioni nelle energie rinnovabili, catalisi e optoelettronica, " ha detto Reshef Tenne del Weizmann Institute of Science, Israele, e un esperto in sintesi di nanostrutture. "Un ostacolo per la loro applicazione su larga scala è l'alta temperatura e i lunghi processi di crescita, proibitivi per applicazioni su larga scala. Il processo meccanochimico sviluppato dal gruppo Balema presso Ames Lab, oltre ad essere scientificamente stimolante, ci avvicina di un passo alla realizzazione di applicazioni concrete per questi materiali intriganti."

Tipicamente, questi materiali complessi, soprattutto quelli con le strutture e le proprietà più insolite, sono realizzati utilizzando due diversi approcci sintetici. Il primo, nota come sintesi top-down, impiega blocchi di costruzione bidimensionali (2-D) per assemblarli, utilizzando tecniche di produzione additiva. Il secondo approccio, definita in senso lato come sintesi dal basso verso l'alto, utilizza reazioni chimiche graduali che coinvolgono elementi puri o piccole molecole che depositano singoli monostrati uno sopra l'altro. Entrambi sono scrupolosi e presentano altri svantaggi come una scarsa scalabilità per l'uso in applicazioni del mondo reale.

Il team di Ames Laboratory ha combinato questi due metodi in un processo meccanochimico che esfolia simultaneamente, disintegra e ricombina i materiali di partenza in nuove eterostrutture anche se le loro strutture cristalline non si adattano bene l'una all'altra (cioè disadattate). Calcoli teorici (DFT), supportato dai risultati della diffrazione dei raggi X, microscopia elettronica della trasmissione di scansione, spettroscopia Raman, studi sul trasporto di elettroni e, per la prima volta in assoluto, esperimenti di risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido, ha spiegato il meccanismo della riorganizzazione dei materiali precursori e le forze trainanti alla base della formazione di nuove eterostrutture 3-D durante la lavorazione meccanica.

"La spettroscopia NMR allo stato solido è una tecnica ideale per la caratterizzazione di materiali in polvere ottenuti dalla meccanochimica, "ha detto Aaron Rossini, Scienziato del laboratorio di Ames e professore di chimica alla Iowa State University. "Combinando le informazioni ottenute dalla spettroscopia NMR allo stato solido con altre tecniche di caratterizzazione siamo in grado di ottenere un quadro completo delle eterostrutture 3-D".

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Generazione senza precedenti di eterostrutture 3-D mediante smontaggio meccanochimico e riordino di calcogenuri metallici incommensurabili, " scritto da Oleksandr Dolotko, Ihor Z. Hlova, Arjun K. Pathak, Yaroslav Mudryk, Vitalij K. Pecharsky, Prashant Singh, Duane D. Johnson, Brett W. Boote, Jingzhe Li, Emily A. Smith, Scott L. Carnahan, Aaron J. Rossini, Lin Zhou, Ely M. Eastman, e Viktor P. Balema; e pubblicato in Comunicazioni sulla natura .