I materiali incredibilmente sottili, spessi solo pochi atomi, mostrano proprietà uniche che li rendono attraenti per lo stoccaggio di energia, la catalisi e la purificazione dell’acqua. I ricercatori dell'Università di Linköping, in Svezia, hanno ora sviluppato un metodo che consente la sintesi di centinaia di nuovi materiali 2D. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Science .
Dalla scoperta del grafene, il campo di ricerca sui materiali estremamente sottili, i cosiddetti materiali 2D, è aumentato in modo esponenziale. Il motivo è che i materiali 2D hanno un'ampia superficie in relazione al loro volume o peso. Ciò dà origine a una serie di fenomeni fisici e proprietà distintive, come buona conduttività, elevata resistenza o resistenza al calore, che rendono i materiali 2D interessanti sia nella ricerca fondamentale che nelle applicazioni.
"In una pellicola spessa solo un millimetro possono esserci milioni di strati di materiale. Tra gli strati possono avvenire numerose reazioni chimiche e grazie a ciò i materiali 2D possono essere utilizzati per l'immagazzinamento di energia o per la generazione di combustibili, per esempio", afferma Johanna Rosén, professoressa di fisica dei materiali all'Università di Linköping.
La più grande famiglia di materiali 2D si chiama MXenes. Gli MXeni vengono creati da un materiale genitore tridimensionale chiamato fase MAX. È costituito da tre diversi elementi:M è un metallo di transizione, A è un elemento (del gruppo A) e X è carbonio o azoto. Rimuovendo l'elemento A con acidi (esfoliazione), si crea un materiale bidimensionale. Finora MXenes è stata l'unica famiglia di materiali creata in questo modo.
I ricercatori di Linköping hanno introdotto un metodo teorico per prevedere altri materiali tridimensionali che potrebbero essere adatti alla conversione in materiali 2D. Hanno anche dimostrato che il modello teorico è coerente con la realtà.
Per avere successo, i ricercatori hanno utilizzato un processo in tre fasi. Nella prima fase, hanno sviluppato un modello teorico per prevedere quali materiali genitori sarebbero stati adatti. Utilizzando calcoli su larga scala presso il National Supercomputer Center, i ricercatori sono stati in grado di identificare 119 materiali 3D promettenti da un database e una selezione composta da 66.643 materiali.
Il passo successivo è stato provare a creare il materiale in laboratorio.
"Tra 119 possibili materiali, abbiamo studiato quali avevano la stabilità chimica richiesta e quali materiali erano i migliori candidati. Innanzitutto abbiamo dovuto sintetizzare il materiale 3D, il che era di per sé una sfida. Alla fine, abbiamo avuto un campione di alta qualità dove potremmo esfoliare e incidere uno specifico strato di atomo utilizzando l'acido fluoridrico," afferma Jie Zhou, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia.
I ricercatori hanno rimosso l'ittrio (Y) dal materiale genitore YRu2 Si2 , che ha portato alla formazione di Ru2 bidimensionale Six Osì .
Ma per confermare il successo in laboratorio è necessaria la verifica:il terzo passaggio. I ricercatori hanno utilizzato il microscopio elettronico a trasmissione a scansione Arwen dell'Università di Linköping. Può esaminare i materiali e le loro strutture a livello atomico. In Arwen è anche possibile indagare di quali atomi è composto un materiale utilizzando la spettroscopia.
"Abbiamo potuto confermare che il nostro modello teorico funzionava bene e che il materiale risultante era costituito dagli atomi corretti. Dopo l'esfoliazione, le immagini del materiale somigliavano alle pagine di un libro. È sorprendente che la teoria possa essere messa in pratica, in tal modo espandendo il concetto di esfoliazione chimica a più famiglie di materiali rispetto a MXenes," afferma Jonas Björk, professore associato presso la divisione di Design dei materiali.
La scoperta dei ricercatori significa che molti altri materiali 2D con proprietà uniche sono a portata di mano. Questi, a loro volta, possono gettare le basi per una miriade di applicazioni tecnologiche. Il prossimo passo per i ricercatori sarà esplorare ulteriori potenziali materiali precursori e ampliare gli esperimenti. Rosén ritiene che le applicazioni future siano quasi infinite.
"In generale, i materiali 2D hanno mostrato un grande potenziale per un numero enorme di applicazioni. Puoi immaginare di catturare l'anidride carbonica o purificare l'acqua, ad esempio. Ora si tratta di aumentare la sintesi e di farlo in modo sostenibile", afferma Rosén.
Ulteriori informazioni: Jonas Björk et al, Materiali bidimensionali mediante calcoli su larga scala ed esfoliazione chimica di solidi stratificati, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adj6556. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università di Linköping
