Un gruppo di ricerca tedesco-americano guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dall'Università della Tecnologia di Dresda (TUD) presenta, sulla rivista Nano Letters , un'idea innovativa che potrebbe superare questa lacuna, consentendo allo strato 2D di reagire con l'idrogeno.

I materiali 2D sono ultrasottili, in alcuni casi costituiti da un singolo strato atomico. Grazie alle loro proprietà speciali, questa classe di materiali ancora giovane offre prospettive interessanti per la spintronica e l'archiviazione dei dati. Nel 2017, gli esperti hanno scoperto una nuova variante:materiali 2D magnetici. Tuttavia, finora è stato difficile per questi sistemi passare da uno stato magnetico all'altro, un prerequisito per la costruzione di nuovi tipi di componenti elettronici, attraverso influenze chimiche mirate.

Per superare questo problema, un gruppo di ricerca dell'HZDR e della TUD, guidato dal leader del gruppo di ricerca junior Rico Friedrich, ha puntato su un gruppo speciale di materiali 2D:strati ottenuti da cristalli in cui esistono legami chimici relativamente forti:i cosiddetti materiali non-van materiali 2D der Waals.

Vent'anni fa Konstantin Novoselov e Andre Geim, futuri premi Nobel per la fisica, riuscirono per la prima volta a produrre in modo mirato un materiale 2D. Usando del nastro adesivo, hanno staccato uno strato sottile da un cristallo di grafite, isolando così il carbonio a strato singolo, il cosiddetto grafene. Il semplice trucco ha funzionato perché i singoli strati di grafite sono legati solo debolmente chimicamente. Per inciso, questo è esattamente ciò che rende possibile tracciare linee su carta con una matita.

"Solo negli ultimi anni è stato possibile separare singoli strati dai cristalli utilizzando processi a base liquida, in cui gli strati sono molto più fortemente legati rispetto alla grafite", spiega Rico Friedrich, capo del gruppo di ricerca junior "DRESDEN-concept" AutoMaT.

"I materiali 2D risultanti sono molto più attivi chimicamente del grafene, ad esempio." Il motivo:questi strati presentano legami chimici insaturi sulla loro superficie e quindi una forte tendenza a legarsi con altre sostanze.

Trasformare 35 in 4

Friedrich e il suo team hanno avuto la seguente idea:se la superficie reattiva di questi materiali 2D fosse fatta reagire con l'idrogeno, dovrebbe essere possibile influenzare in modo mirato le proprietà magnetiche degli strati sottili. Tuttavia non era chiaro quale dei sistemi 2D fosse particolarmente adatto a questo scopo.

Per rispondere a questa domanda, gli esperti hanno analizzato il database precedentemente sviluppato di 35 nuovi materiali 2D e hanno effettuato calcoli dettagliati ed estesi utilizzando la teoria del funzionale della densità.

La sfida era garantire la stabilità dei sistemi passivati ​​con idrogeno in termini di aspetti energetici, dinamici e termici e determinare il corretto stato magnetico, un compito che poteva essere portato a termine solo con il supporto di diversi centri di calcolo ad alte prestazioni.

Una volta terminato il duro lavoro, rimanevano quattro promettenti materiali 2D. Il gruppo li ha esaminati ancora una volta più da vicino. "Alla fine siamo riusciti a identificare tre candidati che potrebbero essere attivati ​​magneticamente mediante la passivazione dell'idrogeno", riferisce Friedrich. Un materiale chiamato titanato di cadmio (CdTiO₃ ) si è rivelato particolarmente notevole:diventa ferromagnetico, cioè un magnete permanente, attraverso l'influenza dell'idrogeno.

I tre candidati trattati con idrogeno dovrebbero essere facili da controllare magneticamente e potrebbero quindi essere adatti a nuovi tipi di componenti elettronici. Poiché questi strati sono estremamente sottili, potrebbero essere facilmente integrati nei componenti piatti dei dispositivi, un aspetto importante per potenziali applicazioni.

Gli esperimenti sono già in corso

"Il prossimo passo è confermare sperimentalmente i nostri risultati teorici", afferma Rico Friedrich. "E diversi gruppi di ricerca stanno già provando a farlo, ad esempio all'Università di Kassel e all'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali di Dresda." Ma anche presso HZDR e TUD la ricerca sui materiali 2D continua:tra le altre cose, Friedrich e il suo team stanno lavorando su nuovi tipi di materiali 2D che potrebbero essere rilevanti per la conversione e lo stoccaggio dell'energia a lungo termine.

Un focus è sulla possibile scissione dell’acqua in ossigeno e idrogeno. L'idrogeno verde ottenuto in questo modo potrebbe quindi essere utilizzato, ad esempio, come mezzo di stoccaggio dell'energia per i periodi in cui l'energia solare ed eolica disponibile è insufficiente.