26.08.2021 13:00
Il futuro dei materiali bidimensionali a base di carbonio
Lo studio Polimi è la storia di copertina del Journal of Physical Chemistry C
È stato pubblicato sulla rivista americana The Journal of Physical Chemistry C, come articolo di copertina, uno studio condotto dal professor Carlo S. Casari e dal suo team, all’interno del Micro and Nanostructured Materials Laboratory (NanoLab) del Dipartimento di Energia.
Lo studio, in collaborazione con il professor Davide M. Proserpio del Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Milano, è un lavoro modellistico-computazionale che vuole investigare una classe di materiali bidimensionali a base di carbonio.
I materiali bidimensionali sono costituiti da un solo o pochi strati atomici, e rappresentano un tema di ricerca molto interessante, perché hanno proprietà differenti rispetto allo stesso materiale quando composto da molti strati.
Uno di questi materiali è il grafene, dalle peculiari proprietà: è infatti l’unico materiale bidimensionale a base di carbonio che viene sfruttato per applicazioni tecnologiche. Le sue proprietà però sono fissate: se lo si vuole combinare con altri materiali con differenti proprietà è necessario cambiare tipologia di materiale. Vi è tutta una serie di materiali inorganici bidimensionali che sono adatti a questo scopo. Esistono però anche dei materiali bidimensionali a base di carbonio – diversi dal grafene – la cui esistenza è stata ipotizzata negli anni '80, chiamati grafdiine (graphdiyne in inglese). Sono strutture cristalline costituite da unità esagonali -come nel grafene- combinate con unità lineari caratteristiche dei fili atomici di carbonio. Hanno proprietà molto interessanti e dal punto di vista sperimentale c’è ancora molta ricerca da sviluppare.
L'obiettivo del team di Casari è stato capire quante tipologie di questi materiali possano esistere ed essere replicate nella realtà, e quali siano le loro proprietà.
I ricercatori hanno proceduto a realizzare una classificazione di tutte le possibili strutture bidimensionali a base di carbonio. Per fare questo sono partiti dal grafene, e con un algoritmo automatizzato hanno sostituito alcune parti della sua struttura con unità di carbonio lineare. Questo algoritmo ha prodotto circa 40.000 strutture diverse, successivamente selezionate e filtrate per capire quali potessero essere potenzialmente realizzabili. L’algoritmo di selezione è basato su ToposPro, un codice di calcolo per l’analisi delle strutture cristalline sviluppato dal Samara Center for Theoretical Materials Science (SCTMS), con la collaborazione del prof. Proserpio.
Si è giunti a una selezione di 26 strutture, per le quali si è proceduto ad analizzare le caratteristiche di stabilità e le proprietà elettroniche. Si è dimostrato come queste strutture possano essere sia metalli, sia semi-metalli, sia semi-conduttori.
Questo studio pone le basi alla realizzazione di nuovi materiali bidimensionali a base di carbonio dalle potenzialità applicative in ambito tecnologico ed energetico molto interessanti.
spiega il prof. Casari.
La ricerca rientra nell’ambito del progetto ERC EspLORE, che ha l’obiettivo di sviluppare materiali innovativi sfruttando le potenzialità dei fili atomici di carbonio ed esplorandone le possibili applicazioni per tecnologie avanzate nel campo dell’energia.
Per saperne di più
Lo studio è disponibile online.
Il sito ufficiale del progetto EspLORE
This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the grant agreement n. 724610.