I materiali in 2D sono materiali bidimensionali dello spessore di un atomo che hanno la caratteristica di offrire particolari prestazioni. I fisici Andrej Geim e Konstantin Novoselov vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 2010 per la scoperta del grafene che è il primo tra i materiali in 2D.
La scoperta del grafene ha costituito uno spartiacque nella scienza dei materiali, aprendo nuovi orizzonti nella progettazione di sistemi a dimensionalità ridotta e stimolando un’intensa attività di ricerca a livello globale.
La comunità scientifica ha infatti immediatamente compreso le potenzialità del nuovo materiale e si è attivata nello studio delle sue applicazioni soprattutto nel campo dell’elettronica. Non mancano continue scoperte per la sua applicazione nel campo delle celle solari, inchiostri high tech per stampare circuiti, possibilità di potabilizzazione dell’acqua di mare.
Il grafene è divenuto inoltre il materiale rappresentativo di una classe di nuovi materiali 2D con proprietà innovative. Esse consentono la fabbricazione di nuovi dispositivi di piccolissime dimensioni e dotati di enormi potenzialità.
grafene
Il grafene, nonostante abbia diverse caratteristiche positive presenta anche alcuni svantaggi, tra cui il prezzo eccessivo e la mancanza di tecniche per una produzione commerciale a basso costo. Per questo motivo, utilizzando gli elementi del gruppo 13, del gruppo 14 , ad eccezione del carbonio e del gruppo 15 sono stati sviluppati materiali in 2D come il fosforene, il boronene, il silicene, l’antimonene e il bismutene, che hanno suscitato un notevole interesse grazie alle loro proprietà uniche di offrire una superficie specifica molto elevata.
I materiali 2D hanno attirato notevole attenzione e sono state sviluppate numerose tecniche di sintesi come l’approccio top-down e l’approccio bottom-up che sono le due categorie principali che possono essere utilizzate per i processi di sintesi per materiali 2D.
Materiali in 2D oltre il grafene
Il grafene ha aperto la strada a una nuova classe di materiali, spesso definiti “materiali post-grafene”, caratterizzati da proprietà altamente modulabili.
Tra i principali esempi si trovano:
Fosforene
Il fosforene è un materiale derivato dal fosforo nero e presenta una struttura ondulata.
Si distingue per la presenza di un gap di banda diretto e modulabile, ideale per transistor, elevata mobilità dei portatori di carica, forte anisotropia elettronica e ottica, che consente proprietà direzionali uniche
Tuttavia, è caratterizzato da scarsa stabilità all’aria, che ne limita l’utilizzo pratico senza adeguate protezioni.
Borofene
Il borofene è un materiale metallico con una struttura altamente anisotropa e non completamente planare.
Le sue caratteristiche principali includono elevata conducibilità elettrica (comportamento metallico), grande flessibilità meccanica, alta reattività chimica, utile per applicazioni catalitiche
È considerato promettente per applicazioni in sensori, catalisi e accumulo di energia, anche se la sua sintesi controllata è ancora complessa.
Silicene
silicene
Il silicene presenta una struttura simile al grafene, ma leggermente incurvata (buckled).
Le sue proprietà includono compatibilità con la tecnologia del silicio, fondamentale per l’integrazione industriale, buona conducibilità elettronica, possibilità di modulare il gap di banda tramite campi elettrici
Tuttavia, è instabile in condizioni ambientali e richiede substrati specifici per essere mantenuto.
Antimonene
L’antimonene è un materiale relativamente stabile tra quelli del gruppo 15.
antimonene
Le sue caratteristiche principali sono elevata stabilità chimica in aria, superiore a molti altri materiali 2D, buone proprietà elettroniche con gap di banda utilizzabile, potenziale applicazione in sensori e dispositivi optoelettronici
Questa stabilità lo rende particolarmente interessante per applicazioni reali.
Bismutene
Il bismutene è noto per le sue proprietà elettroniche avanzate.
Si caratterizza per comportamento da isolante topologico, elevato accoppiamento spin-orbita, potenziale utilizzo in spintronica e quantum computing
È uno dei materiali più promettenti per applicazioni in elettronica quantistica.
Nel complesso, questi materiali in 2 D condividono alcune caratteristiche chiave:
-elevata superficie specifica
-proprietà elettroniche modulabili
-forte dipendenza dalla struttura atomica
Tuttavia, ciascun materiale presenta vantaggi e limiti specifici, che ne determinano l’idoneità per applicazioni mirate. La ricerca attuale è fortemente orientata verso il miglioramento della stabilità ambientale, lo sviluppo di tecniche di sintesi controllata e l’integrazione nei dispositivi su scala industriale
Fasi MAX e sviluppo degli MXeni
Un’importante evoluzione nel campo dei materiali in 2D è rappresentata dai MXene, derivati dalle cosiddette fasi MAX.
Per l’ottenimento dei materiali in 2D i ricercatori hanno sfruttato le loro conoscenze su una classe di composti conduttori ovvero carburi e nitruri noti con l’acronimo di MAX dove M sta per metallo di transizione come niobio, cromo, vanadio e titanio.
A sta per un elemento del gruppo 13 o del gruppo 14 come alluminio e silicio e X sta per carbonio o azoto per migliorare la capacità degli ioni litio di inserirsi reversibilmente all’anodo durante i processi di carica e scarica.
L’acido fluoridrico ha la funzione di favorire l’inserimento di ioni litio al fine di allontanare in modo selettivo gli atomi di alluminio da Ti3AlC2 e da altri MAX.
Il processo, se da un lato migliora le prestazioni delle batterie, dall’altro è in grado di allontanare totalmente l’alluminio e di ottenere monostrati in 2D. Ad esempio il grafene con formula M3X2 e materiali con formula M2X, e M4X3 come Ti2C, Ta4C3,Ti3CN.
A tale famiglia di materiali è stato dato, in assonanza con il grafene il nome di MX-eni . Ad oggi sono stati preparati circa 30 MX-eni sebbene si ritenga che se ne possano ottenere molti altri.
Il team, che rimane quello più all’avanguardia, ha ideato un metodo per ottenere polimeri compositi MX-ene che sono conduttori di elettricità, forti, flessibili e duraturi.
Sono stati sintetizzati MX-eni contenenti due metalli di transizione del tipo M’2M”C2 o M’2M”2C3 dove M’ e M’’ sono due metalli di transizione.
Applicazioni dei materiali in 2D
I materiali bidimensionali, grazie alla loro elevata superficie specifica, alle proprietà elettroniche modulabili e alla ridotta dimensionalità, trovano impiego in numerosi settori tecnologici avanzati.
Elettronica e nanoelettronica
Uno degli ambiti più promettenti è quello dell’elettronica, dove materiali in 2 D come il grafene e il silicene vengono studiati per la realizzazione di transistor di nuova generazione, circuiti integrati miniaturizzati e dispositivi ad alta velocità.
In particolare, la possibilità di ottenere canali di conduzione estremamente sottili consente di ridurre gli effetti dissipativi e migliorare l’efficienza energetica. Inoltre, materiali con gap di banda modulabile, come il fosforene, risultano particolarmente adatti per applicazioni logiche e optoelettroniche.
Energia e sistemi di accumulo
I materiali in 2D rivestono un ruolo cruciale nel settore energetico, soprattutto nello sviluppo di batterie agli ioni litio, supercondensatori e celle solari avanzate
Materiali in 2 D come i MXene e il grafene favoriscono l’intercalazione ionica rapida e reversibile, migliorando la capacità e la velocità di carica. Inoltre, la loro elevata conducibilità contribuisce a ridurre le perdite energetiche nei dispositivi.
Nel campo fotovoltaico, questi materiali vengono utilizzati per aumentare l’efficienza di conversione della luce in energia elettrica.
Sensori e dispositivi di rilevamento
Grazie alla loro sensibilità superficiale estremamente elevata, i materiali in 2 D sono ideali per la realizzazione di sensori.
Essi trovano applicazione in sensori chimici e biologici, rilevatori di gas e biosensori ad alta precisione
Anche piccole variazioni nell’ambiente circostante possono indurre cambiamenti significativi nelle proprietà elettriche del materiale, permettendo rilevazioni estremamente sensibili e selettive.
