I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno progettato una gamma di nuovi nanotubi dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD) a parete singola con diverse composizioni, chiralità e diametri modellando nanotubi di nitruro di boro. Hanno inoltre realizzato nanotubi ultrasottili cresciuti all'interno del modello e composizioni personalizzate con successo per creare una famiglia di nuovi nanotubi. La capacità di sintetizzare una vasta gamma di strutture offre informazioni uniche sul loro meccanismo di crescita e su nuove proprietà ottiche.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
Il nanotubo di carbonio è una meraviglia della nanotecnologia. Realizzato arrotolando un foglio atomicamente sottile di atomi di carbonio, ha un'eccezionale resistenza meccanica e conduttività elettrica oltre a una serie di altre proprietà optoelettroniche esotiche, con potenziali applicazioni nei semiconduttori oltre l'era del silicio.
Le caratteristiche principali dei nanotubi di carbonio derivano da aspetti sottili della loro struttura. Ad esempio, come un pezzo di carta arrotolato ad angolo, i nanotubi hanno spesso una chiralità, una “mano” nella loro struttura che li rende diversi dalla loro immagine speculare. Questo è anche il motivo per cui gli scienziati stanno guardando avanti verso materiali che vadano oltre il carbonio, che potrebbero consentire una gamma più ampia di strutture.
Un focus è puntato sui composti dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), costituiti da metalli di transizione ed elementi del Gruppo 16. Non solo ne esiste un'intera famiglia, i TMD hanno caratteristiche che non si vedono nei nanotubi di carbonio, come la superconduttività e le proprietà fotovoltaiche, dove l'esposizione alla luce genera una tensione o una corrente.
Per sfruttare appieno il potenziale dei TMD, tuttavia, gli scienziati devono essere in grado di realizzare nanotubi a parete singola in una varietà di composizioni, diametri e chiralità in un modo che ci consenta di studiare le loro proprietà individuali. Ciò si è rivelato impegnativo:i nanotubi TMD di solito si formano in strutture concentriche a pareti multiple, dove ogni strato potrebbe avere chiralità diversa. Ciò rende difficile scoprire, ad esempio, quale tipo di chiralità dà origine a proprietà specifiche.
Ora, un team guidato dal professore assistente Yusuke Nakanishi della Tokyo Metropolitan University ha trovato un modo per fare proprio questo. Utilizzando nanotubi di nitruro di boro come modello, potrebbero far crescere con successo una gamma di nanotubi TMD a parete singola aggiungendo gli elementi richiesti attraverso l'esposizione al vapore.
Nel lavoro precedente, hanno realizzato nanotubi di solfuro di molibdeno a parete singola. Osservando i singoli nanotubi in modo più dettagliato, ora hanno distinto un’intera pletora di tubi a parete singola di diversi diametri e chiralità. Nello specifico, hanno misurato gli "angoli chirali" dei singoli tubi che, presi insieme ai loro diametri, determinano strutture chirali uniche.
Hanno scoperto, per la prima volta, che gli angoli chirali dei loro nanotubi erano distribuiti in modo casuale:ciò significa che hanno accesso all’intera gamma di angoli possibili, promettendo nuove intuizioni sulla relazione tra chiralità e stati elettronici, una questione chiave irrisolta nel mondo campo. C'erano anche tubi ultrasottili di soli pochi nanometri di diametro cresciuti all'interno del modello, non all'esterno, una piattaforma unica per osservare gli effetti della meccanica quantistica.
Modificando la loro ricetta, il team è ora riuscito anche a cambiare sia il metallo che il calcogeno, producendo nanotubi in lega di seleniuro di molibdeno, seleniuro di tungsteno e solfuro di molibdeno e tungsteno. Hanno persino realizzato nanotubi con un elemento all'esterno e un altro all'interno, nanotubi di tipo "Giano" che prendono il nome dal dio bifronte della mitologia romana.
Le diverse novità del team nella famiglia dei nanotubi promettono nuovi audaci passi avanti non solo nella nostra comprensione dei nanotubi TMD, ma anche nel modo in cui le proprietà esotiche derivano dalle loro strutture.
Ulteriori informazioni: Yusuke Nakanishi et al, Diversità strutturale dei nanotubi di dicalcogenuro di metalli di transizione a parete singola cresciuti tramite reazione con modello, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202306631
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dalla Tokyo Metropolitan University
