Ma un team di ricercatori ha recentemente sviluppato una nuova tecnica di fabbricazione (l'uso di soluzioni chimiche per staccare strati sottili dai loro composti originari, creando fogli atomicamente sottili) che sembra destinata a mantenere finalmente la promessa della sostanza ultrasottile.

I ricercatori descrivono la loro tecnica di fabbricazione in uno studio pubblicato su Nature .

Nel mondo dei materiali ultrasottili o "bidimensionali", ovvero quelli contenenti un solo strato di atomi, i nanofogli di tellururo di metalli di transizione (TMT) hanno, negli ultimi anni, suscitato grande entusiasmo tra chimici e scienziati dei materiali per le loro proprietà particolarmente insolite. .

Questi composti, costituiti da tellurio e da qualsiasi elemento al centro della tavola periodica (gruppi 3-12), godono di una gamma di stati che vanno dal semimetallico al semiconduttore, isolante e superconduttore e anche stati più esotici, come nonché attività catalitica magnetica e unica.

Queste proprietà offrono una gamma di potenziali applicazioni nei settori dell'elettronica, dello stoccaggio dell'energia, della catalisi e del rilevamento. In particolare, i nanofogli TMT vengono esplorati come nuovi materiali per elettrodi in batterie e supercondensatori, essenziali per la transizione pulita, grazie alla loro elevata conduttività e all'ampia area superficiale.

I nanofogli TMT possono essere utilizzati anche come elettrocatalizzatori per batterie litio-ossigeno, migliorandone l’efficienza e le prestazioni. Altre potenziali applicazioni nelle tecnologie emergenti includono il fotovoltaico e il termoelettrico, la produzione di idrogeno, la filtrazione e la separazione. È stato anche scoperto che mostrano interessanti fenomeni quantistici, come le oscillazioni quantistiche e la magnetoresistenza gigante.

"L'elenco delle industrie che trarrebbero notevoli miglioramenti in termini di efficienza dalla produzione di massa di nanofogli TMT è estremamente lungo", ha affermato il leader del team WU Zhong-Shuai, un chimico del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Accademia cinese delle scienze. "Ecco perché questo materiale 2D è potenzialmente così emozionante."

Sfortunatamente, nonostante i vari tentativi di esfoliazione di nanofogli TMT di alta qualità, preservare un'elevata cristallinità ottenendo allo stesso tempo nanofogli di grandi dimensioni e caratteristiche ultrasottili continua a rappresentare una sfida significativa. I metodi finora ideati non sono scalabili a causa dei lunghi tempi di elaborazione. Spesso richiedono anche sostanze chimiche tossiche. Pertanto, le proprietà dei nanofogli TMT sono rimaste un interessante fenomeno di laboratorio che non riesce a fare il salto verso la produzione di massa e l'applicazione industriale.

Il team ha finalmente risolto questo problema tramite un processo semplificato di litiazione, idrolisi e infine esfoliazione del nanofoglio.

Innanzitutto, è stata preparata una grande quantità di cristalli di tellururo metallico utilizzando il trasporto chimico del vapore, un metodo comunemente utilizzato in chimica per trasportare composti solidi da un luogo a un altro utilizzando un gas vettore. Quando il recipiente di reazione viene riscaldato, l'agente di trasporto vaporizza e trasporta con sé il composto solido sotto forma di vapore.

Il vapore viaggia attraverso il recipiente di reazione e può incontrare una superficie più fredda, dove il composto può depositarsi e formare cristalli. Ciò consente la crescita controllata di cristalli o pellicole molto sottili del composto desiderato. In questo caso, i cristalli di tellururo preparati vengono poi miscelati con boroidruro di litio. Questo processo prevede l'inserimento di ioni di litio tra gli strati dei cristalli di tellururo metallico, portando alla formazione di un composto intermedio, "litiato".

Il composto intermedio litiato viene quindi rapidamente inzuppato con acqua, il che si traduce in "esfoliazione" o rimozione dei cristalli di tellururo di metallo litiato in nanofogli in pochi secondi.

Infine, i nanofogli esfoliati di tellururo metallico vengono raccolti e caratterizzati in base alla loro forma e dimensione, consentendo loro di essere ulteriormente trasformati in diverse forme, come pellicole, inchiostri e compositi, a seconda dell'applicazione desiderata.

L'intero processo dura appena dieci minuti per la litiazione e pochi secondi per l'idrolisi. La tecnica è in grado di produrre nanofogli TMT di alta qualità di vari spessori desiderati con rese molto elevate.

Durante i test sui nanofogli, i ricercatori hanno scoperto che il loro accumulo di carica, la capacità elevata e la stabilità li rendevano promettenti per applicazioni nelle batterie al litio e nei micro-supercondensatori.

Ritengono che la loro tecnica sia essenzialmente pronta per la commercializzazione, ma vogliono anche condurre ulteriori studi per caratterizzare le proprietà e il comportamento dei loro nanofogli, oltre a perfezionare e ottimizzare ulteriormente le fasi di litiazione ed esfoliazione.