Per la prima volta, Gli ingegneri della Northwestern University hanno creato un doppio strato di borofene atomicamente piatto, un'impresa che sfida la naturale tendenza del boro a formare cluster non planari oltre il limite del singolo strato atomico.

Sebbene noto per le sue promettenti proprietà elettroniche, il borofene, un foglio di boro dello spessore di un singolo atomo, è difficile da sintetizzare. A differenza del suo materiale analogico bidimensionale grafene, che può essere staccato dalla grafite a strati innati usando qualcosa di semplice come lo scotch, il borofene non può essere semplicemente staccato dal boro sfuso. Anziché, il borofene deve essere coltivato direttamente su un substrato.

E se far crescere uno strato fosse difficile, la crescita di più strati di borofene atomicamente piatto sembrava impossibile. Poiché il boro sfuso non è stratificato come la grafite, la crescita del boro oltre i singoli strati atomici porta al raggruppamento piuttosto che ai film planari.

"Quando provi a far crescere uno strato più spesso, il boro vuole adottare la sua struttura di massa, " ha detto Mark C. Hersam della Northwestern, co-autore senior dello studio. "Piuttosto che rimanere atomicamente piatto, film di boro più spessi formano particelle e cluster. La chiave era trovare condizioni di crescita che impedissero la formazione dei cluster. Fino ad ora, non pensavamo si potesse andare oltre uno strato. Ora ci siamo spostati in un territorio inesplorato tra il singolo strato atomico e la massa, risultando in un nuovo parco giochi per la scoperta."

La ricerca sarà pubblicata il 26 agosto sulla rivista Materiali della natura .

Hersam è Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering presso la McCormick School of Engineering e direttore del Materials Research Science and Engineering Center. È anche membro dell'International Institute for Nanotechnology della Northwestern e del Simpson Querrey Institute. Hersam ha co-diretto il lavoro con Boris Yakobson, la cattedra di ingegneria Karl F. Hasselmann alla Rice University.

Cinque anni fa, Hersam e i suoi collaboratori crearono per la prima volta il borofene. Più forte, più leggero e flessibile del grafene, il borofene ha il potenziale per rivoluzionare le batterie, elettronica, sensori, celle solari e calcolo quantistico. Sebbene la ricerca teorica prevedesse che fosse possibile un doppio strato di borofene, molti ricercatori, compreso Hersam, non erano convinti.

"È impegnativo creare un nuovo materiale, anche quando il lavoro teorico ne prevede l'esistenza, "Hersam ha detto. "La teoria raramente ti dice le condizioni sintetiche necessarie per ottenere quella nuova struttura".

La chiave per le condizioni corrette, La squadra di Hersam ha scoperto, era il substrato utilizzato per coltivare il materiale. Nello studio, Hersam e i suoi colleghi coltivavano il borofene in un appartamento, substrato d'argento. In caso di esposizione a temperature molto elevate, l'argento ammucchiato a formare eccezionalmente piatto, ampi terrazzi tra grappoli di gradini a scala atomica.

"Quando abbiamo coltivato il borofene su questi grandi, terrazze pianeggianti, abbiamo visto formarsi un secondo strato, " disse Hersam. "A seguito di questa osservazione fortuita, abbiamo intenzionalmente concentrato i nostri sforzi in quella direzione. Non stavamo cercando il secondo strato quando l'abbiamo trovato. Molte scoperte di materiali avvengono in questo modo, ma devi realizzare l'opportunità quando ti imbatti in qualcosa di inaspettato."

Il materiale a doppio strato ha mantenuto tutte le proprietà elettroniche desiderabili del borofene, offrendo nuovi vantaggi. Per esempio, il materiale comprende due fogli di spessore atomico legati insieme con uno spazio tra, che potrebbe essere utilizzato per lo stoccaggio di energia o prodotti chimici.

"Ci sono state previsioni teoriche secondo cui il borofene a doppio strato è un materiale promettente per le batterie, "Hersam ha detto. "Avere spazio tra gli strati fornisce un luogo per contenere gli ioni di litio".

Il team di Hersam spera che altri ricercatori siano ora ispirati a continuare a coltivare strati ancora più spessi di borofene o a creare doppi strati con diverse geometrie atomiche.

"diamanti, grafite, grafene e nanotubi di carbonio sono tutti basati su un elemento (carbonio) con diverse geometrie, " disse Hersam. "Il boro sembra essere altrettanto ricco nelle sue possibilità, se non di più, rispetto al carbonio. Crediamo di essere ancora nei primi capitoli della saga bidimensionale del boro".