Una nuova forma di carbonio in una maglia spessa solo un atomo sta allettando gli scienziati con suggerimenti che potrebbe migliorare notevolmente le batterie ricaricabili e consentire fili così piccoli da poter funzionare su una scala in cui i metalli falliscono. Il materiale, noto come rete di bifenilene, è altamente conduttivo e può rivelarsi in grado di immagazzinare più energia elettrica persino del grafene, il materiale a nido d'ape di carbonio a spessore atomico identificato quasi 20 anni fa.

A maggio, gli scienziati hanno annunciato di essere stati in grado di adattare la disposizione degli atomi di carbonio in una maglia che, per la prima volta, include esagoni, quadrati e ottagoni, assicurando che il materiale sia ancora spesso solo un atomo.

La nuova disposizione geometrica in due dimensioni si aggiunge all'elenco delle strutture di carbonio, o allotropi, come la grafite, diamante e grafene. Ma gli scienziati hanno scoperto che ha proprietà elettroniche molto diverse. Ha senso confrontare il nuovo materiale con il grafene, dove gli atomi di carbonio si legano in un unico strato di esagoni per formare una maglia con caratteristiche elettriche e termiche sorprendenti, oltre a un'eccezionale resistenza meccanica, eppure è altamente trasparente.

La ricerca di laboratorio sul nuovo materiale presso l'Università di Marburgo in Germania e l'Università di Aalto in Finlandia ha scoperto che i nastri della rete di bifenilene larghi pochi atomi si comportano elettricamente come un metallo. Ciò suggerisce che il materiale può essere sviluppato per realizzare fili conduttori in circuiti elettronici a base di carbonio.

"Se prendi nanonastri di grafene di larghezza simile, quindi sono tipicamente semiconduttori e questo bifenilene è più facilmente un metallo, " disse Peter Liljeroth, professore nel dipartimento di fisica applicata dell'Università di Aalto. Ciò potrebbe rendere il materiale utile come conduttore su scala nanometrica in futuri dispositivi elettronici, Ha aggiunto. Lui e il suo team hanno fatto le loro scoperte usando una tecnica di imaging chiamata spettroscopia a scansione tunnel per esaminare strisce di rete di bifenilene larghe fino a 21 atomi. Questi nastri sono stati realizzati dal gruppo del Prof. Michael Gottfried nel dipartimento di chimica fisica della Philipps-Universität Marburg, in Germania.

Il team di Marburg ha sviluppato il percorso di sintesi per questo materiale. Hanno realizzato catene molecolari contenenti carbonio in disposizioni specifiche che si raccolgono su una superficie ultra-liscia, superficie d'oro non reattiva. E poi un altro passaggio, soprannominato HF-zipping, unisce le catene per formare le strisce di rete di bifenilene.

Potenziale elettrico

L'analisi di campioni su larga scala potrebbe aiutare a mostrare se un anodo di bifenilene potrebbe aumentare l'efficienza delle batterie agli ioni di litio, comunemente usato nei telefoni cellulari e nei veicoli elettrici. "Se hai bifenilene sfuso o multistrato ... allora ci sono previsioni teoriche che la capacità di stoccaggio del litio dovrebbe essere più alta, molto più alto, rispetto al grafene, " disse il dottor Liljeroth.

Se confermato, ciò renderebbe il materiale estremamente attraente nelle ricaricabili. Ma il prof. Liljeroth sottolinea che c'è ancora molta strada da fare prima che tali proprietà possano essere potenzialmente sfruttate in applicazioni industriali o di consumo.

Una sfida nella produzione di bifenilene sfuso consiste nell'aumentare l'accuratezza del processo di sintesi di chiusura a cerniera di strisce o nastri di bifenilene di qualità sufficiente per formare fogli più grandi, senza che parti del materiale siano inadempienti al grafene mentre gli atomi di carbonio si aggregano e si legano.

Mentre i ricercatori di Aalto potrebbero identificare le proprietà elettriche del materiale di Marburg, altre caratteristiche della rete di bifenilene rimangono inesplorate. La ricerca è ancora necessaria per inchiodare la sua meccanica, qualità termiche e ottiche. Fare quello, sarebbe utile avere campioni più grandi.

Fili di carbonio

Le proprietà conduttive metalliche confermate indicano già la possibilità di condurre cavi per l'elettronica su scala ridotta.

I fili fatti di metalli come il rame si degradano tipicamente a spessori atomici attraverso un processo di elettromigrazione, in cui gli elettroni in movimento possono spostare gli atomi e danneggiare i fili, che diventano instabili e alla fine si rompono.

Un materiale come la rete di bifenilene potrebbe aiutare ad evitare queste difficoltà nei circuiti elettronici, lavorando come un metallo nel condurre elettroni, ma senza gli inconvenienti. Ciò renderebbe i conduttori più stabili, consentendo l'utilizzo di fili più piccoli nell'elettronica su nanoscala.

"Questo è uno dei problemi che deve essere superato o risolto, e i materiali a base di carbonio sono abbastanza buoni in questo senso, " Ha detto il prof. Liljeroth.

Ma ha aggiunto una chiara nota di cautela:"Sono tanti, molti passaggi tra ora e l'utilizzo effettivo di questo in un microprocessore."

Queste proprietà, e altri ancora da identificare, potrebbe fornire campi ricchi per l'esplorazione e lo sviluppo, così come il nuovo modo di produrre la stessa rete di bifenilene.

Il prof. Liljeroth ha sottolineato il potenziale dell'approccio con zip ad alta frequenza utilizzato dal team del prof. Gottfried per realizzare un numero qualsiasi di altre strutture in carbonio.

Il team di Marburg ha utilizzato precursori chimici a base di carbonio contenenti idrogeno e fluoro per "comprimere" insieme diverse catene atomiche di carbonio. Piuttosto che ricorrere al grafene, la forma più elementare in superficie, il passaggio aggiuntivo prevedeva la personalizzazione chimica dei bordi dei nastri che si uniscono per formare la rete di bifenilene.

"Ciò che spero esca da questo lavoro è che le persone inizino a pensare a questo tipo di processo di zippare HF per creare nuovi materiali, (quindi) puoi iniziare con lo stesso concetto, modificare i precursori e finire con un'altra rete di carbonio 2D, " ha aggiunto il prof. Liljeroth.

Poiché il materiale è stato finora prodotto su una superficie dorata, un'altra sfida è perfezionare il trasferimento della rete di bifenilene dal metallo. Questo è un compito in cui i ricercatori possono trarre lezioni dal lavoro svolto sul grafene, un materiale in cui il lavoro in corso offre anche altri suggerimenti per lo sviluppo della rete di bifenilene.

"Direi che c'è molto potenziale... ora che hanno dimostrato che queste strutture sono fattibili, sono stabili, almeno in queste condizioni, " ha detto il professor Roman Fasel, che dirige il laboratorio nanotech@surfaces presso i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) e non è stato coinvolto nella ricerca.

"Sarà davvero difficile crescere, " Egli ha detto, ma aggiunse che il lavoro sul grafene aveva dimostrato che era possibile passare dai più piccoli granelli di materiale a scaglie lavorabili.

"Una direzione è ottimizzare la sintesi per ottenere una rete 2D di ampia area, diciamo per elettrodi e cose del genere, ma l'altro sarebbe trovare un modo per creare nanonastri ben definiti, quindi solo la variante 1-D del materiale, " Egli ha detto.

Una delle principali sfide che il bifenilene deve affrontare è identificare le proprietà che lo rendono una scelta ovvia per le applicazioni future, noto in termini informatici come "app killer", dove è di gran lunga migliore dei rivali, oltre che più facile ed economico da realizzare.

Dopotutto, le persone lavorano sul grafene da quasi due decenni e sebbene mostri molte proprietà eccezionali e abbia trovato usi in vernici e rivestimenti, microelettronica e conduttori trasparenti, oltre ad essere utilizzato nelle racchette da tennis e nell'inchiostro, non ha rivoluzionato completamente nessun campo in particolare.

"In alcuni casi, un nuovo materiale apre qualcosa che semplicemente non era possibile fare con la tecnologia esistente, e poi può sfondare più velocemente, " disse il prof. Liljeroth. "Ma io non so del bifenilene, bisognerà vedere questo."