Nanopori su misura: un team di Vienna modella il “grafene bianco” su scala atomica
La fisica e la chimica aprono la strada a una vasta gamma di applicazioni grazie all’ingegneria dei nanopori
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Un gruppo di ricerca dell’Università di Vienna, guidato dal fisico Jani Kotakoski, dimostra come la forma dei nanopori nel nitruro di boro esagonale – la controparte elettricamente isolante del grafene, nota anche come “grafene bianco” – possa essere controllata con precisione a livello atomico. L’irradiazione con elettroni nel vuoto ultra-elevato crea pori circolari, mentre l’aggiunta di piccole quantità di ossigeno produce pori triangolari. L’ingegneria dei nanopori presentata sulla rivista *Nature Communications* apre così la strada a nuove applicazioni nei campi della filtrazione, del sequenziamento del DNA, della catalisi e delle tecnologie quantistiche.
Il nitruro di boro esagonale bidimensionale (hBN) è un materiale isolante costituito da un singolo strato di atomi. Esso forma una barriera stabile che può essere utilizzata anche per proteggere altri materiali bidimensionali, come il grafene, dall’ambiente circostante. La creazione di pori larghi solo pochi atomi rende questa barriera permeabile, dando origine a una membrana nanoporosa attraverso la quale possono passare molecole o ioni. Tali membrane potrebbero essere utilizzate per filtrare sostanze o analizzare il DNA mentre passa attraverso un nanoporo. A questa scala, la forma precisa del poro e gli atomi che ne rivestono i bordi influenzano il modo in cui esso interagisce con le molecole che lo attraversano. Allo stesso tempo, grazie alle loro dimensioni ridotte, i pori presentano proprietà quantistiche che li rendono utili per la catalisi e le applicazioni quantistiche.
Gli elettroni possono visualizzare e alterare le strutture atomiche mente
Un modo per creare pori così minuscoli consiste nell’utilizzare il fascio di elettroni di un microscopio elettronico a trasmissione: gli stessi elettroni utilizzati per ottenere immagini di materiali bidimensionali fino al livello dei singoli atomi possono anche espellere atomi dal materiale. Con un’irradiazione prolungata, questi difetti si trasformano in nanopori. Da quasi due decenni è noto che l’irradiazione con elettroni dell’hBN produce pori triangolari. La loro forma era generalmente attribuita alle differenze nella facilità con cui gli atomi di boro e azoto vengono spostati. «Dimostriamo per la prima volta che la forma dei pori non è dovuta esclusivamente agli elettroni, ma è influenzata dall’atmosfera che circonda il campione», afferma Umair Javed, primo autore dello studio e dottorando nel gruppo di Kotakoski presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Vienna.
Interazione tra chimica e fisica
I microscopi elettronici funzionano sotto vuoto, ma in condizioni normali questo contiene comunque molecole di gas residue. Il team viennese ha utilizzato un microscopio dotato di un vuoto eccezionalmente elevato e della capacità di introdurre gas selezionati nell’ambiente circostante il campione. Ciò ha permesso loro di studiare cosa accade quando il fascio di elettroni agisce sull’hBN quasi da solo – e cosa cambia quando vengono aggiunti dei gas. In condizioni di vuoto ultraelevato, il fascio di elettroni ha rimosso atomi di boro e azoto a velocità approssimativamente uguali, causando la formazione di pori circolari. L’aggiunta di azoto ha avuto un effetto minimo. Tuttavia, anche in presenza di una piccola quantità di ossigeno, gli atomi di boro sono stati rimossi molto più facilmente e sono emersi pori triangolari con i bordi terminanti in azoto. L’ossigeno da solo non era sufficiente: i risultati indicano che il fascio di elettroni scinde l’ossigeno molecolare in specie reattive in grado di attaccare chimicamente il materiale. La forma dei pori deriva quindi da un’interazione tra fisica e chimica: la “foratura” con elettroni energetici favorisce i pori circolari, mentre l’incisione chimica mediata dall’ossigeno favorisce quelli triangolari. Regolando l’atmosfera durante l’irradiazione con elettroni, i ricercatori possono controllare quale forma assumano i pori.
Verso un controllo ancora maggiore
«È davvero entusiasmante», afferma l’autore senior Jani Kotakoski. «Ci aspettiamo di trovare modi simili per controllare la forma dei pori in altri materiali e, forse, anche di creare forme diverse nel nitruro di boro esagonale». Tale controllo potrebbe aiutare a realizzare strutture precise a livello atomico per applicazioni che spaziano dalla filtrazione dell’acqua alla catalisi e alle tecnologie quantistiche. La ricerca fa parte del Cluster di Eccellenza «Materiali per la conversione e lo stoccaggio dell’energia» del Fondo Austriaco per la Scienza (FWF), nell’ambito del quale il gruppo di Kotakoski mira a utilizzare questo metodo per creare nuove strutture cataliticamente attive.
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