Materiali 2D: Stella nascente del futuro
Introduzione
I materiali 2D, o materiali a singolo strato, sono materiali con singoli strati di atomi. In una visione più micro, i materiali 2D sono materiali su scala nanometrica. L'esempio più famoso di materiale 2D è il grafene, costituito da allotropi di carbonio in una nanostruttura a reticolo esagonale e isolato per la prima volta nel 2004. La Figura 1 mostra la struttura di uno strato di grafene.
Il grafene monostrato possiede proprietà uniche. Ha una resistenza alla trazione centinaia di volte superiore a quella della maggior parte degli acciai in termini di peso. Ha anche la più alta conducibilità termica ed elettrica. A causa delle superbe proprietà del grafene, molti studi e ricercatori si sono dedicati allo sviluppo di altre reti di carbonio a singolo atomo, come la grafdiyne, il grafenilene e altre ancora. Il grafene diventa il pioniere nello sviluppo di materiali 2D.
Figura 1: Strato di grafene
Che cos'è un materiale 2D?
Se pensiamo ai materiali in tre dimensioni, i materiali 2D sono materiali che hanno solo una dimensione nanometrica. Se i materiali hanno tutte e tre le dimensioni nanometriche, sono materiali 0D. La Tabella 1 fornisce una sintesi dei materiali da 0 a 3D [1].
Tabella 1: Materiali da 0 a 3D con esempi
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Numero di dimensioni nanometriche |
Classificazione |
Esempio |
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3 |
0D |
Punti quantitativi |
|
2 |
1D |
Nanotubi, nanofili, nanoribbons |
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1 |
2D |
Materiali spessi un atomo come il grafene |
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0 |
3D (Bulk) |
Materiali generici che si possono vedere. |
I materiali 2D si dividono in elementi, composti metallici, organici e sali. La Figura 2 mostra le strutture e le classificazioni di diversi materiali 2D [2].
Il nitruro di boro esagonale (h-BN) è un isomorfo del grafene (ha le stesse microstrutture del grafene mostrate nella Figura 1, con la differenza che il carbonio è sostituito da boro e nitruro).
MoS2 è uno dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC). La formula chimica dei TMDC è MX2 (M è il metallo di transizione come Mn; X è il calcogeno come S, Se e Te). I TMDC formano strutture di legame covalente tri-strato X-M-X.
Grazie alle loro diverse proprietà meccaniche, elettriche e ottiche, i materiali 2D sono ampiamente utilizzati in diversi settori, di cui parleremo in seguito. Per prima cosa, diamo qualche informazione su come vengono prodotti i materiali 2D.
Figura 2: Tipologie e strutture di diversi materiali 2D [2]
Come si producono i materiali 2D?
I materiali 2D sono materiali con singoli strati di atomi. È possibile rendere più sottili i materiali sfusi, proprio come tagliare i prosciutti, ma il problema non è così semplice a causa dei legami chimici di alcuni materiali in 3 dimensioni. La rottura di questi legami rende gli strati sottili molto instabili e chimicamente reattivi. La grafite è diversa. Essendo un materiale bidimensionale, ha solo forti legami chimici all'interno dei piani, ogni piano si sovrappone per formare la grafite (vedi Figura 3 [3]). Pertanto, la strategia sopra descritta può essere utilizzata per produrre grafene.
Figura 3: Struttura della grafite [3]
Esistono due idee per produrre materiali 2D: top-down e bottom-up.
L'idea top-down consiste nel tagliare materiali di grandi dimensioni o alla rinfusa in un processo controllato e nel rimuovere gli strati prodotti. La sua strategia di base è già stata menzionata in precedenza. I processi top-down possono essere suddivisi in esfoliazioni meccaniche, in fase liquida, a ultrasuoni, elettrochimiche, a scambio ionico e con intercalare di litio [2].
Il bottom-down utilizza elementi atomici o molecolari e li "combina" insieme per formare materiali 2D. Il bottom-down utilizza i materiali più piccoli dei materiali 2D per produrre materiali 2D proprio come blocchi di costruzione. Tra i metodi bottom-down, vi sono la crescita epitassiale, la deposizione chimica da vapore (CVD), la deposizione laser pulsata (PLD), i metodi chimici a umido, il metodo rowaveassisted o la trasformazione topochimica [2].
L'esfoliazione meccanica, l'esfoliazione liquida e la CVD sono comunemente utilizzate per produrre materiali 2D.
Esfoliazione meccanica
L'esfoliazione meccanica utilizza una forza meccanica per separare uno strato sottile o alcuni strati sottili di materiale da un materiale sfuso. Di solito, si usa un pezzo di "nastro adesivo" per staccare il materiale sfuso e raccogliere gli strati sottili. Per tutti i metodi top-down, il problema principale è quello di superare le forze di Van der Waals tra ogni strato del materiale sfuso. Applicando con attenzione la forza normale e la forza laterale durante il processo di peeling, possiamo ancora produrre materiali 2D di alta qualità mediante esfoliazione meccanica. Tuttavia, la bassa efficienza e la resa sono i problemi principali dell'esfoliazione meccanica.
Esfoliazione liquida
L'esfoliazione liquida può coprire questi svantaggi dell'esfoliazione meccanica utilizzando un solvente organico come intermediario per trasportare la forza meccanica al materiale sfuso e la sonicazione fornisce una sollecitazione di trazione a ogni strato, che separa ogni strato. Tuttavia, i materiali 2D prodotti mediante esfoliazione liquida possono presentare residui di solvente organico, il che rende i materiali 2D non adatti ad alcune applicazioni ottiche.
Deposizione chimica da vapore
La deposizione chimica da vapore (CVD) può produrre materiali 2D di alta qualità e ad alta efficienza in dimensioni controllate. All'interno di un forno riscaldato, uno o più gas precursori contenenti elementi atomici o molecolari colpiscono un substrato e i materiali 2D crescono sul substrato. La CVD è stata applicata con successo per produrre grafene e TMDC. Le pressioni dei gas, la temperatura, il tempo di reazione, ecc. giocano un ruolo importante nella qualità, nello spessore e nella composizione dei materiali 2D.
Perché utilizzare il materiale 2D e le sue applicazioni
Vantaggi del materiale 2D
Rispetto al materiale sfuso, il materiale 2D non presenta forze di Van der Waals a causa della sua struttura monostrato. Le forze di Van der Waals sono interazioni tra atomi o molecole dipendenti dalla distanza. Se il materiale non riesce a superare le forze di Van der Waals quando viene sollecitato, si romperà... Il legame covalente mette in comune gli elettroni, il che significa mantenere forte il rapporto superficie/volume degli atomi. I materiali 2D non hanno forze di van der Waals ma solo legami covalenti, e quindi presentano una resistenza alla trazione estremamente forte. Il grafene è il materiale con la più alta resistenza alla trazione in natura.
La struttura monostrato del materiale 2D gli conferisce un rapporto superficie/volume relativamente elevato. Può mettere in contatto un maggior numero di reagenti per realizzare reazioni più rapide. Il materiale 2D mostra anche buone proprietà elettroniche e ottiche perché la riduzione della periodicità nella direzione perpendicolare al piano modifica la struttura a bande.
Applicazioni dei materiali 2D
I materiali 2D sono ampiamente utilizzati in transistor, fotorivelatori, semiconduttori, condensatori, memristori e molte altre applicazioni.
L'ossido di grafene è spesso utilizzato per realizzare compositi di fibre, film o strutture 3D, grazie alla sua straordinaria disperdibilità. Combinando il 50% di ossido di grafene con il 50% di nanofibrille di cellulosa (CNF), l'aerogel preparato mostra una maggiore resistenza e rigidità rispetto all'aerogel di CNF puro [2].
L'elevato rapporto superficie/volume delgrafene riduce l'infiammabilità dei gas [2]. Ciò rende il grafene un additivo per aumentare la resistenza all'infiammabilità dei compositi polimerici e di altri materiali. Il grafene mostra buone prestazioni anche nei memristori, grazie alla sua elevata conducibilità elettrica, alla stabilità chimica e all'alta mobilità dei portatori. Ha una buona responsabilità nella commutazione resistiva in condizioni di alta velocità e lunga durata. Anche TMDC, BN o BP possono essere utilizzati nei memristori.
I TMDC(MoS2, WSe2, WS2) sono ampiamente utilizzati nei transistor a effetto campo (FET), che sono gli elementi più importanti dell'elettronica. La buona mobilità di carica e le moderate lacune di banda dei TMDC li rendono adatti alle applicazioni FET [2].
Le eccellenti proprietà dielettriche dei film di h-BN consentono di combinare h-BN/Ge/metallo nei condensatori.
Ci sono molte applicazioni e materiali 2D che non sono stati menzionati. Stanford Advanced Materials (SAM) fornisce diversi tipi di materiali 2D. Se desiderate maggiori informazioni sui materiali 2D, potete fornire le informazioni sulla vostra applicazione al nostro personale tecnico per una consulenza.
Riferimento
- Materiali 2D: Un'introduzione ai materiali bidimensionali. Ossila. (n.d.). Recuperato il 28 gennaio 2023, da https://www.ossila.com/en-us/pages/introduction-2d-materials.
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Una rassegna della sintesi, delle proprietà e delle applicazioni dei materiali 2D. Revisione della sintesi, delle proprietà e delle applicazioni dei materiali 2D. Recuperato il 29 gennaio 2023, da https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.
- Shanmugam, V., Mensah, R. A., Babu, K., Gawusu, S., Chanda, A., Tu, Y., Neisiany, R. E., Försth, M., Sas, G., & Das, O. (n.d.). Una rassegna della sintesi, delle proprietà e delle applicazioni dei materiali 2D. Revisione della sintesi, delle proprietà e delle applicazioni dei materiali 2D. Recuperato il 29 gennaio 2023, da https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ppsc.202200031.
