Dal cristallo ai nuovi materiali bidimensionali
Un nuovo metodo consente lo studio di nanostrutture che vanno oltre i classici sistemi a strati
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I materiali bidimensionali possono presentare proprietà che non si riscontrano nei loro sistemi tridimensionali di origine, il che li rende particolarmente interessanti, ad esempio, per applicazioni nel campo dell’elettronica. Finora la ricerca si è concentrata principalmente su cristalli già costituiti da strati debolmente legati tra loro. Per la prima volta, un team dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e del Politecnico di Dresda (TU Dresden) ha sviluppato un metodo computazionale efficiente in grado di prevedere la presenza di strati atomici separabili in qualsiasi tipo di cristallo. Analizzando oltre 24.000 strutture cristalline note, i ricercatori hanno individuato 2.531 candidati particolarmente promettenti. I risultati sono stati pubblicati su *Nature Communications*.
Sin dalla produzione del grafene nel 2004, i materiali bidimensionali hanno suscitato grande interesse scientifico e tecnologico. Poiché hanno uno spessore di pochi strati atomici, o addirittura di un solo strato atomico, possono presentare proprietà elettroniche, magnetiche o chimiche particolari, che li rendono particolarmente interessanti per applicazioni quali l’elettronica, la catalisi e l’accumulo di energia.
Gli esempi più noti sono costituiti dai cosiddetti cristalli di van der Waals. Proprio come un libro, sono composti da singoli strati tenuti insieme da forze relativamente deboli. È quindi relativamente facile staccare i singoli strati. Nei cristalli non stratificati, invece, gli atomi formano una rete tridimensionale di legami significativamente più forti. Finora è stato difficile prevedere quali di questi solidi potessero essere suddivisi in strati stabili.
«Dato che questa classe di materiali è ancora agli albori, la selezione dei materiali adatti agli esperimenti si basava spesso sull’esperienza e sull’intuizione», spiega il dott. Rico Friedrich dell’Istituto di Fisica dei Fasci Ionici e Ricerca sui Materiali dell’HZDR e del Politecnico di Dresda. «Grazie al nostro metodo universale, ora possiamo determinare i punti in cui un cristallo, in qualsiasi materiale, può essere suddiviso al meglio e se nel processo possa formarsi una struttura bidimensionale potenzialmente stabile».
Forza dei legami anziché semplici distanze
Il fulcro del nuovo approccio è l’eXfoliation and Cleavage Potential, abbreviato in XCP. Il modello computazionale utilizza gli elementi chimici coinvolti e la distanza tra di essi per calcolare con estrema precisione la forza dei legami tra i singoli atomi. Due algoritmi aggiuntivi cercano successivamente piani cristallini facilmente separabili oppure rimuovono gradualmente dal modello i legami più deboli fino a quando non rimangono sottostrutture bidimensionali. In questo modo, il metodo rileva anche superfici di separazione atomicamente irregolari.
«Calcolare la struttura elettronica per ogni superficie immaginabile richiederebbe un tempo incredibilmente lungo», afferma l’autore principale, Tom Barnowsky. «Il nostro modello efficiente, invece, è in grado di effettuare ricerche in grandi banche dati di materiali con uno sforzo computazionale minimo. Calcoli dettagliati sono necessari solo per i risultati particolarmente promettenti».
Test su ampia scala condotti su materiali bidimensionali già prodotti sperimentalmente hanno dimostrato che il metodo XCP è in grado di determinare in modo affidabile i piani preferenziali di esfoliazione. È inoltre disponibile gratuitamente per gli interessati sotto forma di strumento web ( http://xcp.hzdr.de/ ).
Migliaia di strutture promettenti
Il team ha applicato il metodo a oltre 24.000 strutture cristalline note e non stratificate provenienti da uno dei più grandi database sperimentali sui materiali. Tra queste, i ricercatori hanno selezionato 2.531 candidati particolarmente promettenti per effettuare calcoli più precisi. In questi materiali, la composizione chimica rimane invariata al momento del distacco, mentre i rapporti di legame calcolati favoriscono fortemente la formazione di una struttura bidimensionale.
Ulteriori indagini hanno confermato il potenziale della selezione: nella maggior parte dei candidati il team ha calcolato energie di esfoliazione relativamente basse. Inoltre, molte delle strutture si sono dimostrate stabili sia dal punto di vista dinamico che termodinamico – un presupposto fondamentale per le applicazioni tecnologiche. Ora gli esperimenti dovranno dimostrare se e in quali condizioni questi materiali possano effettivamente essere prodotti.
I materiali 2D previsti differiscono notevolmente dalle voci presenti nel database esistente. Alcuni potrebbero persino subire un cambiamento fondamentale nelle loro proprietà elettroniche durante la transizione verso uno strato sottile: tra le altre cose, i calcoli prevedono composti in cui i cristalli tridimensionali agiscono come semiconduttori mentre diventano metallici in due dimensioni. In altri casi si crea un gap di banda diretto, che potrebbe risultare interessante per i dispositivi optoelettronici. I candidati magnetici potrebbero inoltre aprire nuove possibilità per la spintronica nell’elaborazione e nell’archiviazione dei dati.
«I nostri risultati ampliano notevolmente l’orizzonte dei materiali bidimensionali», riassume Friedrich. «Il metodo non garantisce che ogni candidato possa essere prodotto in laboratorio. Tuttavia, mostra quali cristalli meritino effettivamente lo sforzo sperimentale».
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