Gli scienziati dello Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) hanno sviluppato un metodo per modellare il comportamento dei materiali 2D sotto pressione. La ricerca aiuterà a creare sensori di pressione basati su silicene o altri materiali 2D. Il documento è stato pubblicato nel ACS Nano rivista.

silicio, che è considerato l'analogo al silicio del grafene, è un allotropo bidimensionale del silicio. Nel suo stato normale, un silicio sfuso è un semiconduttore con una struttura del tipo a cristalli di diamante. Man mano che si assottiglia fino a uno o più strati, le sue proprietà cambiano drasticamente. Però, non è stato ancora possibile studiare il cambiamento nelle proprietà elettroniche dei materiali 2D ad alta pressione.

Scienziati dalla Russia, Italia, gli Stati Uniti, e il Belgio hanno sviluppato un metodo di ricerca teorica basato sulla chimica quantistica per studiare le proprietà elettroniche dei materiali 2D sotto pressione utilizzando come esempio il silicene. A differenza del carbonio, che è stabile sia negli stati 3D che 2D, il silicene è metastabile e di facile interazione con l'ambiente.

"Il silicio è un semiconduttore nel suo stato sfuso e un metallo nello stato 2D. Le proprietà del silicio monostrato e multistrato sono ampiamente studiate in teoria. Il silicio è corrugato anziché piatto a causa delle interazioni tra gli atomi di silicio vicini. Un aumento della pressione dovrebbe appiattire il silicene e modificarne le proprietà, ma questo effetto non può ancora essere studiato sperimentalmente, " spiega il ricercatore di Skoltech Christian Tantardini.

Nella maggior parte dei casi, strumenti sperimentali utilizzati per applicare pressione al materiale lungo l'asse normale al suo piano producono simultaneamente compressione nelle direzioni nel piano del materiale 2D. Così, le misurazioni risultanti difficilmente sarebbero accurate, quindi in questo momento la modellazione sembra essere l'unico approccio plausibile.

"Nel nostro caso, un nuovo approccio teorico era l'unica soluzione. Poiché la pressione viene applicata solo lungo una direzione, simuliamo la compressione del nostro materiale e cerchiamo di capire quali sono le ragioni dei cambiamenti nella struttura elettronica, disposizione degli atomi di silicio e loro ibridazione sotto diverse pressioni, e perché gli strati si appiattiscono, " Commenta il ricercatore senior della Skoltech Alexander Kvashnin.

Una previsione accurata del comportamento del silicene o di altri materiali 2D sotto pressione renderebbe il silicene un candidato promettente per i sensori di pressione. Quando posizionato all'interno del sensore, il silicene potrebbe aiutare a determinare la pressione in base alla risposta del materiale alla compressione. Questo tipo di sensori potrebbe essere utilizzato, ad esempio, in impianti di perforazione con un'elevata richiesta di controllo della pressione per aumentare la forza di perforazione senza danneggiare l'attrezzatura.

"Abbiamo usato il silicene nel nostro studio di modellazione per testare il metodo che potrebbe funzionare anche per altri materiali 2D, compresi quelli più stabili che sono già fabbricati e utilizzati ampiamente, a pressione zero" dice Xavier Gonze, un visiting professor alla Skoltech e un professore all'Université catholique de Louvain (UCLouvain) in Belgio.