Nessuno può sparare un proiettile attraverso una banana in modo tale da perforare la pelle ma la banana rimane intatta. Però, a livello dei singoli strati atomici, i ricercatori della TU Wien (Vienna) hanno ora raggiunto una tale impresa:hanno sviluppato un metodo di nanostrutturazione con il quale alcuni strati di materiale possono essere perforati in modo estremamente preciso e altri lasciati completamente intatti, anche se il proiettile penetra in tutti gli strati. Ciò è reso possibile dall'aiuto di ioni altamente carichi. Possono essere utilizzati per elaborare selettivamente le superfici di nuovi sistemi di materiali 2-D, Per esempio, per ancorarvi alcuni metalli, che poi possono fungere da catalizzatori. Il nuovo metodo è stato ora pubblicato sulla rivista ACS Nano .

Nuovi materiali da strati ultrasottili

I materiali composti da diversi strati ultrasottili sono considerati un nuovo entusiasmante campo di ricerca sui materiali. Il materiale ad alte prestazioni grafene, che consiste in un solo strato di atomi di carbonio, è stato utilizzato in molti nuovi materiali a film sottile con nuove proprietà promettenti.

"Abbiamo studiato una combinazione di grafene e disolfuro di molibdeno. I due strati di materiale vengono messi in contatto e poi aderiscono l'uno all'altro da deboli forze di van der Waals, " afferma la dott.ssa Janine Schwestka dell'Institute of Applied Physics presso TU WIen e prima autrice dell'attuale pubblicazione. "Il grafene è un ottimo conduttore, il bisolfuro di molibdeno è un semiconduttore, e la combinazione potrebbe essere interessante per la produzione di nuovi tipi di dispositivi di archiviazione dati".

Per determinate applicazioni, però, la geometria del materiale deve essere elaborata in modo specifico su una scala di nanometri, ad esempio per modificare le proprietà chimiche aggiungendo ulteriori tipi di atomi o per controllare le proprietà ottiche della superficie. "Ci sono diversi metodi per questo, " spiega Janine Schwestka. "È possibile modificare le superfici con un fascio di elettroni o con un convenzionale fascio di ioni. Con un sistema a due strati, però, c'è sempre il problema che il raggio colpisce entrambi gli strati contemporaneamente, anche se solo uno di essi dovrebbe essere modificato.

Due tipi di energia.

Quando si usa un fascio ionico per trattare una superficie, di solito è la forza dell'impatto degli ioni che colpisce il materiale. A TU Vienna, però, vengono utilizzati ioni relativamente lenti, che vengono caricati in modo multiplo. "Qui bisogna distinguere due diverse forme di energia, " spiega il prof. Richard Wilhelm. "Da un lato, c'è l'energia cinetica, che dipende dalla velocità con cui gli ioni impattano sulla superficie. D'altra parte, c'è l'energia potenziale, determinata dalla carica elettrica degli ioni. Con fasci di ioni convenzionali, l'energia cinetica gioca il ruolo decisivo, ma per noi, l'energia potenziale è particolarmente importante."

C'è un'importante differenza tra queste due forme di energia:mentre l'energia cinetica viene rilasciata in entrambi gli strati di materiale quando penetra nel sistema di strati, l'energia potenziale può essere distribuita in modo molto irregolare tra gli strati:"Il bisolfuro di molibdeno reagisce molto fortemente agli ioni altamente carichi, " dice Richard Wilhelm. "Un singolo ione che arriva a questo strato può rimuovere dozzine o centinaia di atomi dallo strato. Quello che rimane è un buco, che può essere visto molto chiaramente al microscopio elettronico." Lo strato di grafene, d'altra parte, che il proiettile colpisce subito dopo, rimane intatto:la maggior parte dell'energia potenziale è già stata rilasciata.

Lo stesso esperimento può anche essere invertito, in modo che lo ione altamente carico colpisca prima il grafene e solo dopo lo strato di bisolfuro di molibdeno. In questo caso, entrambi gli strati rimangono intatti:il grafene fornisce allo ione gli elettroni necessari per neutralizzarlo elettricamente in una piccolissima frazione di secondo. La mobilità degli elettroni nel grafene è così elevata che anche il punto di impatto si "raffredda" immediatamente. Lo ione attraversa lo strato di grafene senza lasciare una traccia permanente. in seguito, non può più causare molti danni nello strato di bisolfuro di molibdeno.

"Questo ci fornisce ora un nuovo meraviglioso metodo per manipolare le superfici in modo mirato, " dice Richard Wilhelm. "Possiamo aggiungere nano-pori alle superfici senza danneggiare il materiale del substrato sottostante. Questo ci permette di creare strutture geometriche che prima erano impossibili." In questo modo, è possibile creare "maschere" dal bisolfuro di molibdeno perforate esattamente come si desidera, su cui si depositano poi determinati atomi di metallo. Questo apre possibilità completamente nuove per il controllo della sostanza chimica, proprietà elettroniche ed ottiche della superficie.