Atterraggio di precisione nel reticolo atomico: nuovi modi per migliorare la catalisi e il rilevamento dei gas
Una combinazione innovativa di metodi permette di localizzare con precisione i singoli atomi nei materiali ultrasottili
Un gruppo di ricercatori dell'Università di Vienna e della Vienna University of Technology è riuscito a incorporare selettivamente singoli atomi di platino in un materiale ultrasottile e, per la prima volta, è stato in grado di dimostrare con precisione atomica quale posto occupano nel reticolo. Ciò è stato possibile grazie a una combinazione di metodi di nuova concezione che prevede la creazione di difetti nel materiale portante, l'incorporazione controllata di singoli atomi di platino e un processo di imaging elettronico ad alto contrasto ("ptychography"). Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nano Letters, fornisce nuovi approcci per la modifica mirata dei materiali.
Per rendere i materiali particolarmente efficienti per applicazioni come la catalisi (accelerazione di reazioni chimiche) o il rilevamento di determinati gas, è necessario personalizzarli a livello atomico. I cosiddetti centri attivi - minuscoli punti sulla superficie del materiale dove avvengono le reazioni chimiche o dove le molecole di gas possono agganciarsi in modo mirato - sono fondamentali in questo caso. Tali centri sono particolarmente efficaci se sono costituiti da singoli atomi di metallo, come il platino. L'obiettivo dello studio attuale era quindi quello di produrre questo tipo di materiale e, allo stesso tempo, di visualizzarne la struttura a livello atomico.
Uno sguardo acuto al reticolo atomico
Come materiale portante è stato utilizzato il disolfuro di molibdeno (MoS2), un semiconduttore ultrasottile caratterizzato da una buona modificabilità. Per creare spazio per nuovi centri attivi, il team di ricerca ha utilizzato il bombardamento di ioni di elio per creare difetti microscopici ("defect engineering") nella superficie di MoS₂ - ad esempio lacune di zolfo - e poi li ha riempiti con singoli atomi di platino. Questo scambio controllato di atomi nel reticolo ("drogaggio") può essere utilizzato per modificare in modo specifico le proprietà dei materiali.
Finora, tuttavia, mancava una prova precisa della posizione esatta degli atomi estranei introdotti nel reticolo atomico, poiché i diversi tipi di difetti - come le lacune di zolfo singole o doppie - sono difficilmente distinguibili con la microscopia elettronica convenzionale a causa del basso contrasto. I ricercatori si sono quindi affidati alla pittografia a banda laterale singola (SSB), un metodo di imaging all'avanguardia basato sull'analisi dei modelli di diffrazione elettronica. Il primo autore dello studio, David Lamprecht, che ha iniziato la ricerca presso l'Università di Vienna e la sta ora proseguendo presso l'Istituto di Microelettronica della TU Wien, spiega: "Con la nostra combinazione di ingegneria dei difetti, drogaggio e ditografia, siamo riusciti a visualizzare anche le più sottili differenze nel reticolo atomico - e a dimostrare chiaramente se un atomo di platino è stato effettivamente inserito in una fessura o se è semplicemente appoggiato sulla superficie". Con l'aiuto di simulazioni al computer, è stato possibile identificare con precisione i vari siti di installazione (ad esempio, siti di zolfo o molibdeno) - un passo decisivo per la progettazione di materiali mirati.
Due applicazioni, un atomo
La combinazione di incorporazione mirata e imaging di precisione dell'atomo apre nuove possibilità per due settori chiave del futuro: la catalisi e il rilevamento dei gas. Singoli atomi di platino in posizioni definite con precisione possono agire come catalizzatori particolarmente efficienti, ad esempio nella produzione di idrogeno a basso impatto ambientale. Allo stesso tempo, il materiale può essere personalizzato in modo da reagire solo a determinate molecole di gas. "Grazie a questo controllo sui siti di installazione, possiamo sviluppare sensori funzionalizzati in modo selettivo - un miglioramento significativo rispetto ai metodi esistenti", sottolinea Jani Kotakoski, ultimo autore e leader del gruppo di ricerca presso la Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna.
Elementi costitutivi per materiali funzionali
La combinazione di metodi presentata può essere applicata non solo al platino e al MoS2, ma in linea di principio a molte altre combinazioni di materiali 2D e atomi droganti. In futuro, l'approccio sarà ulteriormente sviluppato, ad esempio attraverso un controllo più fine della formazione dei difetti o ulteriori post-trattamenti. L'obiettivo è sviluppare materiali funzionali con proprietà personalizzate in cui ogni singolo atomo sia al posto giusto.
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