Dal Graphene a Goldene: Materiali Avanzati a Strato di Singolo Atomo Aprono Nuove Porte per Scoperte Future

Nessuno di noi ha dubbi sul valore dell’oro nella nostra mente. Dopotutto, è la riserva di valore più popolare e più longeva. Tuttavia, i progressi scientifici compiuti dalla civiltà umana ci hanno ora portato alle porte di Goldene. E potrebbe essere, per non dire altro, un vero punto di svolta. Ma cos’è Goldene? Perché la comunità scientifica è così entusiasta? Approfondiamo.

Goldene: Fogli d’oro di spessore pari a un solo strato atomico

Per la prima volta, ricercatori dell’Università di Linköping, Svezia, hanno creato fogli d’oro il cui spessore è pari a un singolo strato atomico. I ricercatori hanno chiamato questa derivazione Goldene. Goldene potrebbe rivelarsi utile per una serie di compiti sofisticati, tra cui la conversione dell’anidride carbonica, la produzione di idrogeno e la produzione di sostanze chimiche a valore aggiunto. 

Secondo Shun Kashiwaya, ricercatore della Divisione di Progettazione dei Materiali dell’Università:

“Se rendi un materiale estremamente sottile, accade qualcosa di straordinario – come con il grafene. La stessa cosa accade con l’oro. Come sai, l’oro è solitamente un metallo, ma se è spesso solo un singolo strato atomico, l’oro può diventare un semiconduttore invece.”

Come è stata Creata ‘Goldene’?

L’invenzione è iniziata con lo sviluppo di un materiale di base tridimensionale creato inserendo oro tra strati di titanio e carbonio. Ad alte temperature, il silicio sottilmente stratificato del Carburo di Silicio Titanio è stato sostituito dall’oro, portando alla scoperta del Carburo di Titanio Oro. Tuttavia, è stata una scoperta fortuita. I ricercatori miravano a rivestire il carburo di silicio titanio, elettricamente conduttivo, con oro per poterlo mettere a contatto.

Per svolgere il loro lavoro, i ricercatori hanno sfruttato un metodo tradizionale che esiste come componente dell’arte della forgiatura giapponese da più di cento anni. Il componente si chiama reagente di Murakami. I ricercatori lo hanno usato in diverse concentrazioni e per diversi periodi di tempo per arrivare infine al componente.

Mentre alla fine sono riusciti a produrre i fogli d’oro con lo spessore desiderato di un singolo atomo, era fondamentale renderli stabili. Hanno usato un tensioattivo, una lunga molecola per separare e stabilizzare i fogli, come surfattante per garantire che i fogli non si arrotolino.

Mentre descriveva il risultato finale e la sua validazione scientifica, Shun Kashiwaya, uno dei ricercatori, ha dichiarato quanto segue:

“I fogli d’oro sono in una soluzione, un po’ come i cornflakes nel latte. Usando un tipo di “setaccio”, possiamo raccogliere l’oro e esaminarlo con un microscopio elettronico per confermare di aver avuto successo. Cioè, ci siamo riusciti.”

Le Molte Potenziali Applicazioni di Goldene

Le potenziali applicazioni di Goldene coprono un’ampia gamma di settori, tra cui la conversione dell’anidride carbonica, la catalisi per la generazione di idrogeno, la produzione selettiva di sostanze chimiche a valore aggiunto, la produzione di idrogeno, la purificazione dell’acqua, le comunicazioni e molto altro.

Nel successivo seguito, i ricercatori pianificano di esplorare la possibilità di ridurre la quantità di oro utilizzata in queste applicazioni e sostituire l’oro con altri metalli nobili. Questi nuovi composti potrebbero avere molte più nuove applicazioni.

Mentre Goldene promette di aprire molte nuove porte in termini di applicazioni scientifiche e tecnologiche, la fascinazione della comunità scientifica per i materiali a strato atomico singolo non è nuova.

Il Caso Curioso dei Materiali a Strato Atomico Singolo: Graphene e Altro

Ogni volta che parliamo di materiali a strato atomico singolo, inevitabilmente discutiamo di Graphene. È popolare per il suo potenziale. Estratto dalla grafite, forma cristallina del carbonio, il Graphene è leggero, elastico e resistente. Oltre alla sua sottigliezza, ha un’alta resistenza, 200 volte superiore a quella dell’acciaio. Tuttavia, è cinque volte più leggero dell’alluminio. Possiede anche capacità di assorbimento della luce e alta conduttività elettrica e termica.

Il Graphene è più discusso in questi giorni a causa di una svolta raggiunta recentemente, in cui i ricercatori sono riusciti a dimostrare il primo semiconduttore di Graphene funzionale. Questa scoperta potrebbe portare a cambiamenti drammatici nel mondo del calcolo e dell’elettronica.

Mentre il Graphene potrebbe essere il materiale a strato atomico singolo più popolare e ampiamente applicabile, ci sono diversi altri esempi nella categoria.

I materiali a strato atomico singolo sono anche noti come materiali non stratificati 2D. Sono chiamati così perché la loro formazione avviene tramite legami chimici in tre dimensioni (3D), risultando in legami pendenti insaturi sulla superficie e inducendo una superficie ad alta attività e alta energia.

Oltre al Graphene, un esempio di tale materiale a strato singolo è il fosforo nero, noto come fosforene. Tra gli altri materiali non stratificati, troviamo esempi di silicone e germanene.

Grazie alle loro proprietà dipendenti dallo strato, agli effetti di bordo dello strato e alle strutture di banda variabili, questi materiali spesso mostrano un insieme unico di proprietà ai loro bordi. Sono modificabili mediante deformazione o campi elettrici applicati, il che li dota anche di proprietà di sintonizzazione.

I calcogeni metallici, gli ossidi metallici, i semiconduttori III-V e i perovskiti organico-inorganici sono tra i materiali a strato atomico singolo o bidimensionali non stratificati più comuni.

Diamo un’occhiata brevemente ad alcuni esempi reali di tali materiali. Esempi di calcogeni metallici includono molibdeno disolfuro (MoS2), tungsteno disolfuro (WS2) e tungsteno diselenuro (WSe2), mentre ossido di indio (In2O3), ossido di stagno (SnO2) e ossido di zinco (ZnO) sono esempi principali di ossidi metallici.

I semiconduttori III-V derivano il loro nome dal fatto che comprendono un elemento del gruppo III, come alluminio, gallio o indio, legato a un elemento del gruppo V, come fosforo, arsenico o antimonio. Gallio Arsenide e Indio Fosfato sono esempi di semiconduttori III-V.

Esempi di perovskiti organico-inorganici includono metilammonio piombo ioduro (MAPbI3) e formamidinio piombo ioduro (FAPbI3).

Questi materiali potrebbero trovare diverse applicazioni. Ci sono aziende che stanno costruendo soluzioni su di essi. Nella prossima sezione, ne parleremo.

#1. Haydale Graphene Industries

La natura inerte del Graphene lo rendeva difficile da adottare. Haydale Graphene Industries, per risolvere il problema, ha sviluppato un processo powder-in, powder-out che poteva superare senza soluzione di continuità questo problema di funzionalizzazione al plasma.

Questo processo, in grado di liberare il potenziale del Graphene, è diventato noto come Haydale HDPlas, un metodo secco, pulito e rispettoso dell’ambiente che può migliorare il graphene e altri nanomateriali conferendo loro la necessaria resistenza meccanica e una migliore conduttività elettrica e termica.

Haydale ha sviluppato molte soluzioni interessanti basate sul graphene, inclusa una gamma di inchiostri di graphene personalizzabili per dispositivi biomedicali, elettronica flessibile, elementi riscaldanti e tecnologia indossabile. È anche fornitore di nitruro di boro funzionalizzato, noto come graphene bianco. Questo materiale ceramico sintetico è non tossico e può essere trovato in forma solida e in polvere. Alcune delle sue proprietà includono isolamento, resistenza, peso e conduttività elettrica.

Il portafoglio di Haydale di graphene funzionalizzato e additivi nanomateriali si dimostra efficace anche nella produzione di prodotti in elastomero. Questi possono essere usati in pneumatici per biciclette e strade, suole di scarpe in gomma, guarnizioni e tenute. I prodotti di graphene al carburo di silicio di Haydale sono utilizzati nel trattamento superficiale ceramica-polimero per proteggere i prodotti in calcestruzzo.

Utilizzando il graphene, Haydale ha anche sviluppato compositi utili, termoplastici e utensili da taglio solari.

Recentemente Haydale (AIM: HAYD) ha annunciato i suoi risultati intermedi per l’anno conclusosi il 31 dicembre 2023 (\”FY23\”). Secondo il rapporto, i ricavi del gruppo sono aumentati del 38% a £2,47 milioni (H1 FY23 £1,78 milioni).

#2. Siemens

Un altro caso d’uso altamente avanzato per le pellicole di graphene può essere osservato nella costruzione di ciclotroni da parte di Siemens. Un gruppo di ricercatori ha utilizzato pellicole di graphene come pellicola estrattore (stripper) nel ciclotrone Siemens Eclipse da 11 MeV.

Queste pellicole hanno mostrato una conduttività termica eccezionalmente alta rispetto al carbonio e una notevole resistenza meccanica. La loro durata è stata superiore a 16.000 PA*H. L’uso delle pellicole di graphene ha anche portato a un significativo aumento del fattore di trasmissione — il rapporto tra la corrente del fascio sulla pellicola stripper e la corrente sul bersaglio — che è stato superiore al 90%.

L’esperimento ha mostrato come le pellicole di graphene a strato atomico singolo possano competere efficacemente con altre pellicole di carbonio, solitamente usate come pellicole stripper.

Siemens è conosciuta in tutto il mondo per la produzione di prodotti di alta gamma, sofisticati e ad alta intensità tecnologica. Un’azienda così che utilizza materiali a singolo strato atomico in forma di pellicola dimostra il potenziale della categoria.

Nel FY 2023, Siemens ha registrato un fatturato di 19,66 miliardi di euro, un notevole aumento rispetto ai 17,39 miliardi di euro registrati nel 2022.

Ulteriori Esplorazioni sui Materiali a Strato di Singolo Atomo

Ricerche recenti hanno mostrato che, oltre a materiali come Goldene o Graphene, il fosforo nero monostrato, noto anche come fosforene, offre vantaggi distinti nelle applicazioni di rilevamento. Scienziati e ricercatori attribuiscono questi benefici unici alla struttura reticolare “increspata” del fosforene, che conferisce al materiale un rapporto superficie/volume più grande rispetto al graphene e ai dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC). Il fosforene è versatile nelle sue applicazioni e può essere utilizzato in vari scenari di rilevamento, inclusi il rilevamento di gas, umidità, foto-rilevamento, bio-rilevamento e rilevamento di ioni.

Il fosforene mostra anche un notevole potenziale nell’elettronica e nell’optoelettronica. Le pubblicazioni scientifiche hanno rivelato che le sue proprietà intrinsecamente anisotrope elettroniche, di trasporto, optoelettroniche, termoelettriche e meccaniche differiscono notevolmente da quelle del graphene e dei dicalcogenuri di metalli di transizione. La facilità di fabbricazione e le proprietà innovative del fosforene hanno stimolato la progettazione e la dimostrazione di nuovi nanodispositivi.

Un altro studio ha evidenziato i benefici della combinazione di graphene e fosforene. Per approfondire come questa combinazione possa rivelarsi utile, esaminiamo le posizioni comparative delle batterie al sodio rispetto a quelle al litio. Mentre le batterie al sodio mostrano prestazioni comparabili a quelle delle loro controparti al litio, la sfida risiede nello sviluppo di materiali per l’anodo più praticabili. Ed è qui che entra in gioco la combinazione graphene-fosforene.

In un esperimento scientifico, i ricercatori hanno dimostrato il suo potenziale. Un materiale ibrido composto da alcuni strati di fosforene inseriti tra strati di graphene ha potuto mostrare una capacità specifica di 2.440 mA h g⁻¹ (calcolata usando solo la massa del fosforo) a una densità di corrente di 0,05 A g⁻¹ e una ritenzione di capacità dell’83% dopo 100 cicli, operando tra 0 e 1,5 V.

I ricercatori hanno utilizzato microscopia elettronica a trasmissione in situ e tecniche di diffrazione a raggi X ex-situ per spiegare l’alta capacità dell’anodo che hanno sviluppato. L’hanno sviluppato attraverso un meccanismo duale di intercalazione degli ioni sodio lungo l’asse x degli strati di fosforene, seguito dalla formazione di una lega Na₃P.

Un altro materiale a strato atomico singolo che ha catturato con successo l’immaginazione della comunità scientifica è il Germanene. L’interesse per il Germanene è principalmente legato alle sue proprietà ottiche. I calcoli pertinenti hanno mostrato che il foglio di Germanene ha un significativo assorbimento della luce nello spettro solare e mostra anisotropia ottica.

Il Germanene è unico perché è un semiconduttore con gap di banda zero e dispersione lineare della banda intorno al punto K. Mentre l’apertura del gap di banda si verifica in presenza di tensione di polarizzazione, essa aumenta linearmente con l’aumento della forza della tensione di polarizzazione.

Pertanto, non solo Goldene ma una serie di materiali a strato atomico singolo, tra cui graphene, fosforene, germanene e altri, stanno per aprire nuove frontiere scientifiche per scoperte future.

Dobbiamo mantenere la nostra attenzione costante sulle proprietà di questi materiali. Solo così potremo scoprire ulteriori applicazioni. Dobbiamo ricordare che l’alta attività superficiale dei materiali 2D non stratificati li rende catalizzatori utili per reazioni cruciali, come l’ossidazione dell’anidride carbonica e la riduzione dell’acqua.

Questi materiali hanno dimostrato il loro valore nello stoccaggio e nella conversione di energia, contribuendo a ideare celle a combustibile e celle solari. Nell’optoelettronica, le loro proprietà portano alla produzione di diodi a emissione luminosa, laser e sensori di alta qualità. Le loro proprietà di isolamento topologico aiutano anche a creare isolanti che conducono elettricità sulla superficie ma isolano nel volume.

In sintesi, i materiali avanzati a strato di singolo atomo sono porte verso una moltitudine di opportunità. In futuro, assisteremo sicuramente a una diffusione capillare!

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