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È possibile ottenere nuovi materiali a partire da materiali bidimensionali

Gli scienziati dell'Università di Bath hanno studiato come combinare fogli di materiale bidimensionale, ottenuti in laboratorio, per ottenere una configurazione in 3D con proprietà differenti.

Categorie Chimica · Tecnologia

Alcuni ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Bath, in Gran Bretagna, hanno scoperto come disporre fogli bidimensionali, precedentemente lavorati in laboratorio, in modo da ottenere nuovi materiali tridimensionali con caratteristiche differenti. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Laser & Photonics Reviews. Tra i sostenitori della ricerca ci sono la Royal Society, lo Science and Technology Facilities Council (STFC), l’Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) e il Quantum Technology Hub Sensor and Timing del Regno Unito.

L’obiettivo non era quello di ottenere materiali 2D più spessi, ma nuovi materiali in tre dimensioni, con proprietà peculiari.

Perchè ottenere nuovi materiali? I limiti dei materiali bidimensionali

La scoperta del grafene, il materiale più sottile mai creato dall’uomo, ha dato il via a notevoli studi su unaa nuova classe di materiali. Si tratta dei materiali bidimensionali (2D) che presentano straordinarie proprietà ottiche ed elettroniche, diretta conseguenza della loro configurazione. I materiali 2D presentano un singolo strato di atomi appartenenti ad un unico elemento. In tal senso gli elettroni si muovono esclusivamente lungo due dimensioni. Grazie alle loro proprietà, questi materiali hanno trovato larga applicazione in ambito energetico, delle comunicazioni e dei computer quantistici per realizzare dispositivi ultrasottili.

Grafene, materiale bidimensionale

Tuttavia, il fattore che più li caratterizza, la sottigliezza, rappresenta anche un lato negativo. Nel momento in cui vengono illuminati, infatti, la luce interagisce solo su uno spessore minimo, questo ne limita le possibili applicazioni. Come si vedrà in seguito, i nuovi materiali 3D potranno essere sfruttati grazie alle proprietà che i ricercatori hanno cercato di ottimizzare.

Come sono stati ottenuti i nuovi materiali

Gli scienziati inizialmente hanno ingegnerizzato fogli 2D di disolfuro di tungsteno (WS2), con bordi irregolari e dimensioni finite. Oltre al grafene, infatti, si è dimostrato che è possibile lavorare in 2D una vasta gamma di materiali, ad esempio i metalli di transizione quali il disolfuro di tungsteno, il diseleniuro di tungsteno (WSe2), il disolfuro di molibdeno (MoS2) e il diseleniuro di molibdeno (MoSe2).

Successivamente i ricercatori hanno intersecato i fogli, in modo da fonderli insieme e attorcigliarli gli uni sugli altri. Nel risultato ottenuto spicca un nuovo panorama energetico, che rappresenta il fulcro della ricerca. Il materiale ottenuto, afferma la ricercatrice Adelina Ilie, “è la prova che l’assemblaggio di materiali 2D in una disposizione 3D non si traduce solo in materiali 2D “più spessi”, ma produce materiali completamente nuovi“. Il materiale ottenuto, detto nanomesh o nano-rete, presenta proprietà ottiche non lineari molto forti. Converte in modo efficiente un colore laser in un altro su un’ampia tavolozza di colori.

Possibili applicazioni dei nuovi materiali

Il materiale ottenuto dai ricercatori dell’Università di Bath è semplice da riprodurre dal punto di vista tecnologico, perciò permette numerose future applicazioni. Il professor Ventsislav Valev, che ha guidato la ricerca, afferma che il loro prossimo obiettivo “è quello di utilizzare il nanomesh su guide d’onda in Silicio per lo sviluppo di collegamenti ottici quantistici“.

C’è da dire che già nel 2017 alcuni ricercatori del MIT di Boston sono stati in grado di ottenere strutture 3D a partire da fogli di grafene, ottenendo così un materiale estremamente resistente e leggero. È stato possibile comprimendo e fondendo fogli di grafene tramite rilascio di calore e pressione. 

Ottenere nuovi materiali a partire dalla nanoscala

Citando il fisico Richard Feynman “there’s plenty room at the bottom” (ovvero “c’è molto spazio in fondo”), si comprende che diventa sempre più importante studiare nuovi materiali a partire da un’approfondita analisi della nanoscala. Con questa affermazione il fisico invitava ad immergersi in un nuovo campo della fisica, il campo delle nanotecnologie. Feynman, già nel 1959, considerava la possibilità di manipolare i singoli atomi. Non a caso, la ricerca di nanotecnologie e materiali innovativi rappresenta, oggi, un settore in rapida ascesa.