Un team di ricercatori della Rice University ha mappato il modo in cui le particelle di materiali 2D si muovono nel liquido ⎯ conoscenze che potrebbero aiutare gli scienziati ad assemblare materiali su scala macroscopica con le stesse proprietà utili delle loro controparti 2D.
"I nanomateriali bidimensionali sono materiali estremamente sottili, spessi solo pochi atomi, a forma di foglio", ha affermato Utana Umezaki, una studentessa laureata della Rice e autore principale di uno studio pubblicato su ACS Nano . "Si comportano in modo molto diverso dai materiali a cui siamo abituati nella vita quotidiana e possono avere proprietà davvero utili:possono sopportare molta forza, resistere alle alte temperature e così via. Per sfruttare queste proprietà uniche, dobbiamo trovare modi per trasformarli in materiali su larga scala come pellicole e fibre."
Per mantenere le loro proprietà speciali in forma sfusa, i fogli di materiali 2D devono essere adeguatamente allineati, un processo che spesso avviene in fase di soluzione. I ricercatori della Rice si sono concentrati sul grafene, che è costituito da atomi di carbonio, e sul nitruro di boro esagonale, un materiale con una struttura simile al grafene ma composto da atomi di boro e azoto.
"Eravamo particolarmente interessati al nitruro di boro esagonale, che a volte viene chiamato 'grafene bianco' e che, a differenza del grafene, non conduce elettricità ma ha un'elevata resistenza alla trazione ed è chimicamente resistente", ha affermato Angel Martí, professore di chimica, bioingegneria , scienza dei materiali e nanoingegneria e presidente del dipartimento di chimica della Rice. "Una delle cose di cui ci siamo resi conto è che la diffusione del nitruro di boro esagonale in soluzione non era molto ben compresa.
"In effetti, quando abbiamo consultato la letteratura, abbiamo scoperto che lo stesso vale per il grafene. Non siamo riusciti a trovare un resoconto della dinamica di diffusione a livello di singola molecola per questi materiali, e questo è ciò che ci ha motivato ad affrontare questo problema."
I ricercatori hanno utilizzato un tensioattivo fluorescente, ovvero un sapone luminoso, per etichettare i campioni di nanomateriali e renderne visibile il movimento. I video di questo movimento hanno permesso ai ricercatori di mappare le traiettorie dei campioni e determinare la relazione tra le loro dimensioni e il modo in cui si muovono.
"Dalla nostra osservazione, abbiamo trovato una tendenza interessante tra la velocità del loro movimento e le loro dimensioni", ha detto Umezaki. "Potremmo esprimere la tendenza con un'equazione relativamente semplice, il che significa che possiamo prevedere matematicamente il movimento."
È stato scoperto che il grafene si muove più lentamente nella soluzione liquida, probabilmente a causa del fatto che i suoi strati sono più sottili e più flessibili del nitruro di boro esagonale, dando origine a un maggiore attrito. I ricercatori ritengono che la formula derivata dall'esperimento potrebbe essere utilizzata per descrivere come altri materiali 2D si muovono in contesti simili.
"Capire come funziona la diffusione in un ambiente confinato per questi materiali è importante perché ⎯ se vogliamo produrre fibre, ad esempio ⎯ estrudiamo questi materiali attraverso iniettori o filiere molto sottili", ha detto Martí. "Quindi questo è il primo passo verso la comprensione di come questi materiali iniziano ad assemblarsi e a comportarsi quando si trovano in questo ambiente confinato."
Essendo uno dei primi studi a studiare l'idrodinamica dei materiali in nanofogli 2D, la ricerca aiuta a colmare una lacuna nel campo e potrebbe essere determinante per superare le sfide della fabbricazione di materiali 2D.
"Il nostro obiettivo finale con lo studio di questi elementi costitutivi è quello di essere in grado di generare materiali macroscopici", ha affermato Martí.
Anatoly Kolomeisky, professore di chimica e ingegneria chimica e biomolecolare alla Rice, e Matteo Pasquali, A.J. Hartsook, professore di ingegneria chimica e biomolecolare e professore di chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria, sono gli autori corrispondenti dello studio.
Ulteriori informazioni: Utana Umezaki et al, Diffusione browniana di nanofogli di nitruro di boro esagonale e grafene in due dimensioni, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11053
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dalla Rice University
