Accatastando strati di diversi materiali 2D, è ora possibile creare materiali 2.5D con proprietà fisiche uniche che possono essere utilizzati in celle solari, dispositivi quantistici e dispositivi a bassissimo consumo energetico. Credito:STAM
Gli scienziati stanno esplorando nuovi modi per impilare artificialmente materiali bidimensionali (2D), introducendo i cosiddetti materiali 2.5D con proprietà fisiche uniche. I ricercatori in Giappone hanno esaminato gli ultimi progressi e le applicazioni dei materiali 2.5D nella rivista Scienza e tecnologia dei materiali avanzati .
"Il concetto 2.5D simboleggia la libertà dalla composizione, dai materiali, dagli angoli e dallo spazio tipicamente utilizzati nella ricerca sui materiali 2D", spiega lo scienziato dei nanomateriali e autore principale Hiroki Ago dell'Università di Kyushu in Giappone.
I materiali 2D, come il grafene, sono costituiti da un unico strato di atomi e vengono utilizzati in applicazioni come pannelli tattili flessibili, circuiti integrati e sensori.
Recentemente, sono stati introdotti nuovi metodi per rendere possibile impilare artificialmente materiali 2D verticalmente, in piano o ad angoli intrecciati indipendentemente dalla loro composizione e struttura. Questo grazie alla capacità di controllare le forze di van der Waals:deboli interazioni elettriche tra atomi e molecole, simili all'attrazione della polvere di un panno in microfibra. Ora è anche possibile integrare materiali 2D con altri materiali dimensionali, come ioni, nanotubi e cristalli sfusi.
Un metodo comune per la fabbricazione di materiali 2.5D è la deposizione chimica da vapore (CVD), che deposita uno strato, un atomo o una molecola alla volta, su una superficie solida. Gli elementi costitutivi comunemente usati per i materiali 2.5D includono grafene, nitruro di boro esagonale (hBN) (un composto utilizzato nei cosmetici e nell'aeronautica) e dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) (un semiconduttore di nanofoglio).
Utilizzando il metodo CVD, i ricercatori hanno sintetizzato selettivamente un doppio strato di grafene, la forma più semplice di un materiale 2.5D, utilizzando come catalizzatore una lamina di rame-nichel con una concentrazione di nichel relativamente alta. Il nichel rende il carbonio altamente solubile, offrendo ai ricercatori un maggiore controllo sul numero di strati di grafene. Quando un campo elettrico è stato applicato verticalmente attraverso il doppio strato di grafene, ha aperto un intervallo di banda, il che significa che la sua conduttività può essere attivata e disattivata. Questo è un fenomeno che non si osserva nel grafene monostrato perché non ha band gap e rimane sempre attivo. Inclinando l'angolo di impilamento di un grado, gli scienziati hanno scoperto che il materiale diventava superconduttore.
Allo stesso modo, un altro gruppo nel Regno Unito e negli Stati Uniti ha scoperto che uno strato di grafene e hBN provoca l'effetto Hall quantistico, un fenomeno di conduzione che coinvolge un campo magnetico che produce una differenza di potenziale. Altri hanno mostrato che l'impilamento di TMDC intrappola gli eccitoni (elettroni accoppiati con i loro buchi associati in uno stato legato) nei modelli reticolari sovrapposti. Ciò può portare ad applicazioni nei dispositivi di archiviazione delle informazioni. Nuove tecniche di assemblaggio robotico hanno anche permesso di costruire strutture verticali più complesse, inclusa un'eterostruttura impilata composta da 29 strati alternati di grafene e hBN, ad esempio.
Altre ricerche hanno utilizzato i nanospazi che si formano tra gli strati di un materiale 2.5D per inserire molecole e ioni al fine di migliorare le proprietà elettriche, magnetiche e ottiche del materiale ospite.
Finora, ad esempio, i ricercatori hanno scoperto che il grafene stabilizza il cloruro di ferro quando viene inserito tra i suoi strati sovrapposti, mentre l'inserimento di ioni di litio porta a una velocità di diffusione più rapida (la velocità con cui le molecole si diffondono in un'area) rispetto a quella della grafite, un conduttore elettrico utilizzato nelle batterie. Ciò implica che il materiale potrebbe essere utilizzato in batterie ricaricabili ad alte prestazioni.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che l'inserimento di molecole di cloruro di alluminio tra due fogli di grafene porta alla formazione di nuove strutture cristalline completamente diverse dal cristallo di cloruro di alluminio sfuso. Sono necessarie ulteriori ricerche per capire perché ciò accade e quali applicazioni potrebbe avere.
"Ci sono molte opportunità da esplorare con questo nuovo concetto 2.5D", afferma Ago.
Le future applicazioni dei materiali 2.5D includono celle solari, batterie, dispositivi flessibili, dispositivi quantistici e dispositivi a bassissimo consumo energetico.
I prossimi passi dovrebbero incorporare l'apprendimento automatico, l'apprendimento profondo e l'informatica dei materiali per far avanzare ulteriormente la progettazione e la sintesi dei materiali 2.5D. + Esplora ulteriormente
