I ricercatori di Bielefeld, Bochum e Yale sono riusciti a produrre uno strato di biossido di silicio bidimensionale (2D). Questo materiale contiene pori naturali e può quindi essere utilizzato come un setaccio per molecole e ioni. Gli scienziati sono alla ricerca di tali materiali da molto tempo perché potrebbero aiutare a desalinizzare l'acqua di mare e essere utilizzati in nuovi tipi di celle a combustibile. Il team delinea il processo di fabbricazione dei silicati a doppio strato nella rivista Nano Letters , pubblicato online il 19 gennaio 2022. Lo studio è stato condotto congiuntamente dai team guidati dal dottor Petr Dementyev dell'Università di Bielefeld, dal professor Anjana Devi dalla Ruhr-Universität Bochum e dal professor Eric Altman dell'Università di Yale.

Pori naturali nel reticolo cristallino

Quando i materiali bidimensionali vengono perforati con alta precisione, possono essere utilizzati per filtrare determinati ioni e molecole. I ricercatori hanno ripetutamente provato a perforare il materiale grafene per questo scopo, che consiste di atomi di carbonio. Poiché non ha pori naturali, devono essere inseriti artificialmente. Ma è difficile creare fori di dimensioni definite nel grafene senza danneggiare in modo permanente il materiale. Questo perché perde stabilità meccanica a causa della perforazione. Di conseguenza, doveva essere trovata un'alternativa. Nel presente studio, il team di ricerca ha sfruttato il fatto che il reticolo cristallino del biossido di silicio bidimensionale contiene per natura dei pori. Hanno dimostrato che questi pori possono essere utilizzati per separare determinati gas l'uno dall'altro.

"Questo è molto eccitante perché il biossido di silicio 2D ha una densità molto elevata di piccoli pori per natura che semplicemente non è possibile creare nelle membrane artificiali", afferma Petr Dementyev del gruppo di ricerca Physics of Supramolecular Systems and Surfaces a Bielefeld. "A differenza del grafene perforato, i pori sono quasi tutti della stessa dimensione. E ce n'è un numero così incredibile che il materiale si comporta come un setaccio a maglia fine per le molecole."

Problema di fabbricazione

La silice 2D è nota dal 2010. Tuttavia, era molto costosa da produrre, cosa che poteva essere fatta solo su piccola scala. Unendo le competenze della chimica dei materiali, dell'ingegneria chimica e della fisica chimica, i ricercatori di Bochum, Bielefeld e Yale hanno escogitato un nuovo processo di fabbricazione dei materiali. Hanno usato la cosiddetta deposizione di strati atomici per depositare un singolo strato di biossido di silicio su una superficie d'oro. Utilizzando un processo ad alta pressione, i ricercatori hanno trasferito lo strato nella sua forma bidimensionale e poi lo hanno caratterizzato in dettaglio mediante spettroscopia e microscopia. Hanno quindi esaminato il flusso di gas attraverso la membrana 2D in una camera a vuoto.

Mentre acqua vaporosa e alcol penetravano nello strato di silice, i gas azoto e ossigeno non potevano passare. "Materiali come questo con permeabilità selettiva sono molto richiesti nell'industria", afferma Anjana Devi. Tuttavia, prima che la silice 2D possa essere utilizzata nella pratica, è importante valutare esattamente quante molecole diverse possono attaccarsi alla superficie del materiale o come possono penetrarla.

"Ci aspettiamo che i nostri risultati siano di grande rilevanza per la comunità mondiale della scienza dei materiali", conclude Anjana Devi del gruppo di ricerca sulla chimica dei materiali inorganici. Tali membrane 2D potrebbero essere in prima linea nell'aiutare lo sviluppo sostenibile, ad esempio nel campo della conversione o dello stoccaggio dell'energia." + Esplora ulteriormente

Setacciatura di precisione dei gas attraverso i pori atomici nel grafene