Atomi disposti in file ordinate, miscelati casualmente, per una catalisi sostenibile
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Per il sistema energetico del futuro sono necessari catalizzatori sostenibili che consentano, ad esempio, di produrre in modo efficiente idrogeno verde. I materiali costituiti da miscele di cinque elementi chimici sono molto promettenti per la realizzazione di catalizzatori ideali in futuro. I ricercatori del Centro di ricerca speciale DFG 1625 «Comprensione su scala atomica e progettazione di superfici multifunzionali in cristalli misti con composizione chimica complessa» sono riusciti a far crescere questi cosiddetti cristalli misti complessi in forma quasi monocristallina su un wafer di zaffiro e a studiarli con estrema precisione utilizzando quattro diversi metodi di microscopia.
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Atomi provenienti da cinque direzioni
Per produrre cristalli misti complessi, i ricercatori utilizzano un impianto di rivestimento combinatorio (co-sputtering) che proietta gli atomi dei cinque elementi di partenza selezionati su un wafer da cinque direzioni diverse. «Lì si depositano in modo casuale e formano nanocristalli chimicamente disordinati con innumerevoli interfacce», spiega il Prof. Dr. Alfred Ludwig dell’Università della Ruhr di Bochum, portavoce del Centro di ricerca speciale. «Sebbene ciò sia ottimo per le applicazioni, allo stesso tempo rappresenta una sfida studiare questi nuovi materiali nell’ambito della ricerca di base con una risoluzione che arriva fino al livello atomico. Ciò è tuttavia importante per la loro futura progettazione mirata».
Per mantenere la miscela dei cinque componenti atomici, ma conferire maggiore ordine strutturale ai materiali, il dott. Satyakam Kar del gruppo di lavoro di Bochum ha scelto come base un wafer monocristallino di zaffiro, rivestito da uno strato estremamente sottile di platino come mediatore. «In questo modo, gli atomi incidenti si depositano in modo tale da prolungare la struttura cristallina del substrato su aree dell’ordine dei micrometri», spiega Ludwig illustrando il cosiddetto processo di crescita epitassiale degli strati. Si ottiene così una superficie cristallina molto ben definita, estremamente liscia, che consente analisi ad altissima risoluzione.
«Affinché ciò funzioni, il processo di sputtering deve avvenire a temperature elevate, comprese tra 400 e 600 gradi Celsius; la velocità di arrivo degli atomi non deve essere né troppo alta né troppo bassa e occorre scegliere lo strato intermedio corretto tra il substrato monocristallino e lo strato vero e proprio», spiega Satyam Kar, che ora lavora come professore associato presso l’Indian Institute of Technology di Gandhinagar.
Piattaforma sperimentale al microscopio
Il team di ricerca ha testato il procedimento su una miscela di iridio, palladio, platino, rodio e rutenio. Gli strati così prodotti sono stati utilizzati come piattaforma sperimentale: grazie a analisi al microscopio, è stato possibile constatare che i cinque elementi di partenza, nonostante il buon ordine strutturale, si erano depositati in modo molto ben miscelato dal punto di vista chimico. «Quello che possiamo anche osservare è che durante la crescita dello strato si formano due diversi orientamenti, tra i quali sono presenti delle interfacce, ma in numero molto minore e meglio definite rispetto a quelle dei nanocristalli», spiega Alfred Ludwig. Utilizzando una minuscola punta di diamante, i ricercatori hanno applicato dei contrassegni sul wafer per potersi orientare durante ulteriori analisi al microscopio e per poter individuare e confrontare tra loro le diverse aree. Le analisi nanoelettrochimiche condotte dal gruppo della prof.ssa Corina Andronescu (Università di Duisburg-Essen) hanno dimostrato che uno dei due orientamenti era vantaggioso dal punto di vista elettrochimico.
Ulteriori studi condotti nel gruppo della prof.ssa Christina Scheu presso l’Istituto Max Planck per i Materiali Sostenibili hanno portato alla scoperta che gli strati epitassiali presentano un’interessante struttura difettosa. In alcune aree, infatti, i cristalli continuano a crescere perfettamente secondo quanto dettato dal substrato di zaffiro. In altri punti, invece, si formano strutture a strati, riconoscibili al microscopio come strisce trasversali. «I prossimi studi mostreranno quale importanza abbiano questi difetti per le proprietà desiderate dei catalizzatori», afferma Alfred Ludwig.
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