Le isosuperfici gialle sul pannello di sinistra indicano gli elettroni localizzati tra i trimeri C3. La struttura ionizzata a destra non ha elettroni intrappolati, e alcuni degli atomi M sono stati in gran parte spostati. Questo spostamento degli atomi M stabilizza nuovamente in modo significativo la struttura ionizzata. Credito:Soungmin Bae e Hannes Raebiger
Un'indagine esplorativa sul comportamento dei materiali con proprietà elettriche desiderabili ha portato alla scoperta di una fase strutturale di materiali bidimensionali (2D). La nuova famiglia di materiali sono gli elettruri, in cui gli elettroni occupano uno spazio solitamente riservato ad atomi o ioni invece di orbitare attorno al nucleo di un atomo o di uno ione. La stalla, bassa energia, i materiali sintonizzabili potrebbero avere potenziali applicazioni nelle nanotecnologie.
Il gruppo di ricerca internazionale, guidato da Hannes Raebiger, professore associato presso il Dipartimento di Fisica della Yokohama National University in Giappone, hanno pubblicato i loro risultati il 10 giugno come frontespizio in Materiali funzionali avanzati .
Inizialmente, il team si è proposto di comprendere meglio le proprietà fondamentali di un sistema 2D noto come Sc 2 CO 2 . Contenente due atomi di scandio metallico, un atomo di carbonio e due atomi di ossigeno, il sistema appartiene a una famiglia di composti chimici denominati collettivamente MXenes. Sono tipicamente composti da uno strato di carbonio o azoto dello spessore di un atomo racchiuso tra strati metallici, punteggiato di atomi di ossigeno o fluoro.
I ricercatori erano particolarmente interessati a MXene Sc 2 CO 2 a causa delle previsioni che quando strutturato in una fase esagonale, il sistema avrebbe le proprietà elettriche desiderate.
"Nonostante queste affascinanti previsioni di fasi esagonali di Sc 2 CO 2 , non siamo ancora a conoscenza della sua fabbricazione di successo, " disse Soungmin Bae, primo autore e ricercatore presso il Dipartimento di Fisica della Yokohama National University. "Analizzando le sue proprietà fondamentali, abbiamo scoperto una fase strutturale completamente nuova."
La nuova fase strutturale si traduce in nuovi materiali di elettruro. La fase strutturale 2D atomica sottile è descritta come forme piastrellate che formano il piano centrale di carbonio. La forma precedentemente prevista era un esagono, con un atomo di carbonio ad ogni vertice e uno al centro. I nuovi materiali hanno una forma a rombo, con elettroni ai vertici e un trimero di carbonio, tre atomi di carbonio in fila, nel mezzo.
"Il carbonio è uno dei materiali più comuni sul nostro pianeta, e molto importante per gli esseri viventi, ma non si trova quasi mai come trimeri, " Ha detto Raebiger. "Il luogo più vicino in cui si trovano tipicamente i trimeri di carbonio è lo spazio interstellare".
La forma complessiva è meno simmetrica rispetto alla struttura esagonale precedentemente descritta, ma è più simmetrico rispetto al piano centrale. Questa struttura offre caratteristiche uniche dovute alla comparsa della nuova famiglia di elettruri, secondo Raebiger.
"Gli elettruri contengono elettroni come unità strutturale e spesso sono conduttori elettrici estremamente buoni, " Ha detto Raebiger. "L'attuale famiglia di elettruri sono isolanti, e mentre la maggior parte degli isolanti può essere resa conduttiva aggiungendo o rimuovendo elettroni, questi materiali diventano semplicemente più isolanti."
Gli MXene sono particolarmente attraenti come materiale, perché possono essere riconfigurati con altri elementi metallici per offrire una cornucopia di proprietà, compresa la conducibilità sintonizzabile, varie forme di magnetismo, e/o accelerare reazioni chimiche come catalizzatori. In cima a questo, sono fogli ultrasottili spessi solo pochi atomi, questo è, Materiali 2D. Gli elettruri appena scoperti hanno elettroni nei vuoti reticolari tra atomi e ioni, che può essere facilmente emesso nello spazio circostante, come le sorgenti di elettroni per grandi acceleratori di particelle, così come essere presi in prestito per catalizzare una reazione chimica specificatamente desiderata.
"Abbiamo fatto questa scoperta perché volevamo capire come funzionano meglio questi materiali, " disse Bae. "Se incontri qualcosa che non capisci, scava più a fondo."
I coautori includono William Espinosa-García e Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brasile; Yoon-Gu Kang e Myung Joon Han, Dipartimento di Fisica, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Juho Lee e Yong-Hoon Kim, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata e Kaoru Ohno, Dipartimento di Fisica presso la Yokohama National University; e Mohammad Khazaei e Hideo Hosono, Centro di ricerca sui materiali per la strategia degli elementi, Istituto di tecnologia di Tokyo. Espinosa-García è anche affiliato con Grupo de investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facoltà di ingegneria, Universidad de San Buenaventura-Medellín.
