I ricercatori dell'UCL hanno creato nastri spessi un atomo fatti di fosforo legato ad arsenico che potrebbero migliorare notevolmente l'efficienza di dispositivi come batterie, supercondensatori e celle solari.
Il team di ricerca ha scoperto i nanonastri di fosforo nel 2019. Il "materiale meraviglioso", che si prevede rivoluzionerà i dispositivi, dalle batterie ai sensori biomedici, da allora è stato utilizzato per aumentare la durata delle batterie agli ioni di litio e l'efficienza delle celle solari.
Tuttavia, i materiali contenenti solo fosforo non conducono molto bene l'elettricità, il che ne ostacola l'utilizzo per determinate applicazioni.
Nel nuovo studio, pubblicato sul Journal of American Chemical Society , i ricercatori hanno creato nanonastri fatti di fosforo e piccole quantità di arsenico, che hanno scoperto essere in grado di condurre elettricità a temperature superiori a -140°C, pur mantenendo le proprietà altamente utili dei nastri contenenti solo fosforo.
L'autore senior Dr. Adam Clancy (UCL Chemistry) ha dichiarato:"I primi lavori sperimentali hanno già dimostrato la notevole promessa dei nanonastri di fosforo, creati per la prima volta dal nostro team dell'UCL nel 2019. Nel 2021, ad esempio, è stato dimostrato che l'aggiunta del i nanonastri come strato delle celle solari in perovskite hanno permesso alle celle di sfruttare più energia dal sole.
"Il nostro ultimo lavoro sulla lega di nanonastri di fosforo con arsenico apre ulteriori possibilità, in particolare, migliorando l'accumulo di energia di batterie e supercondensatori e potenziando i rilevatori del vicino infrarosso utilizzati in medicina.
"Anche i nastri di arsenico-fosforo si sono rivelati magnetici e crediamo provengano da atomi lungo il bordo, il che li rende potenzialmente interessanti anche per i computer quantistici.
"Più in generale, lo studio mostra che la lega è un potente strumento per controllare le proprietà e quindi le applicazioni e il potenziale di questa crescente famiglia di nanomateriali." I ricercatori affermano che la stessa tecnica potrebbe essere utilizzata per realizzare leghe che combinano il fosforo con altri elementi come il selenio o il germanio.
Per essere utilizzati come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio o agli ioni di sodio, i nanonastri di fosforo attualmente dovrebbero essere miscelati con un materiale conduttivo come il carbonio. Aggiungendo l'arsenico, il riempitivo di carbonio non è più necessario e può essere rimosso, migliorando la quantità di energia che la batteria può immagazzinare e la velocità con cui può essere caricata e scaricata.
Nelle celle solari, invece, i nanonastri di arsenico-fosforo possono migliorare ulteriormente il flusso di carica attraverso i dispositivi, migliorando l'efficienza delle celle.
I nastri di arsenico-fosforo creati dal gruppo di ricerca erano tipicamente alti pochi strati, lunghi diversi micrometri e larghi decine di nanometri. Sono stati realizzati mescolando cristalli formati da fogli di fosforo e arsenico con litio disciolto in ammoniaca liquida a -50°C. (Dopo 24 ore, l'ammoniaca viene rimossa e sostituita con un solvente organico.) La struttura atomica dei fogli fa sì che gli ioni di litio possano viaggiare solo in una direzione, non lateralmente, provocando crepe che creano i nastri.
Una caratteristica chiave dei nanonastri è che hanno anche una “mobilità dei fori” estremamente elevata. I buchi sono i partner opposti degli elettroni nel trasporto elettrico, quindi migliorare la loro mobilità (una misura della velocità con cui si muovono attraverso il materiale) aiuta la corrente elettrica a muoversi in modo più efficiente.
I nanonastri potrebbero essere prodotti su larga scala in un liquido che potrebbe poi essere utilizzato per applicarli in volume a basso costo per diverse applicazioni.
I nanonastri di fosforo sono stati scoperti all'UCL da un team interdisciplinare guidato dal professor Chris Howard (UCL Physics &Astronomy). Dall'isolamento dei fogli di fosforene bidimensionali nel 2014, più di 100 studi teorici hanno previsto proprietà nuove ed entusiasmanti che potrebbero emergere producendo nastri stretti di questo materiale.
Ulteriori informazioni: Feng Fei Zhang et al, Produzione di nanonastri in lega magnetica di arsenico-fosforo con piccoli gap di banda e conduttività dei fori elevati, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03230
Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society
Fornito da University College London
