Fosforo nero: la nascita di un nuovo materiale meraviglioso

Negli ultimi anni, i cristalli bidimensionali sono emersi come alcuni dei nuovi materiali più eccitanti con cui giocare. Di conseguenza, gli scienziati dei materiali si sono dati da fare per scoprire le straordinarie proprietà del grafene, del nitruro di boro, del bisolfuro di molibdeno e così via.

Un ultimo arrivato in questo gruppo è il fosforo nero, in cui gli atomi di fosforo si uniscono per formare un foglio increspato bidimensionale. L'anno scorso, i ricercatori hanno costruito un transistor a effetto di campo con fosforo nero e hanno dimostrato che si comportava molto bene. Questa ricerca ha suggerito che il fosforo nero potrebbe avere un brillante futuro nei dispositivi nanoelettronici.

Ma c'è un problema. Il fosforo nero è difficile da produrre in grandi quantità. Oggi, Damien Hanlon del Trinity College di Dublino in Irlanda, e un certo numero di amici, affermano di aver risolto questo problema.

Questi ragazzi hanno perfezionato un modo per realizzare grandi quantità di nanosheet di fosforo nero con dimensioni che possono controllare. E hanno usato questa nuova capacità per testare il fosforo nero in una serie di nuove applicazioni, come un sensore di gas, un interruttore ottico e persino per rinforzare i materiali compositi per renderli più forti.

In forma sfusa, il fosforo nero è costituito da molti strati, come la grafite. Quindi un modo per separare i singoli fogli è l'esfoliazione, semplicemente staccando gli strati usando lo scotch o altri materiali. Si tratta di un'attività che richiede tempo e limita fortemente le potenziali applicazioni.

Quindi Hanlon e compagni hanno giocato con un altro approccio. Il loro metodo consiste nel posizionare il grumo di fosforo nero in un solvente liquido e quindi bombardarlo con onde acustiche che scuotono il materiale.

Il risultato è che la massa di massa si separa in un gran numero di nanofogli che il team filtra per dimensione usando una centrifuga. Ciò lascia nanosheet di alta qualità costituiti solo da pochi strati. L'esfoliazione in fase liquida è una tecnica potente per produrre nanosheet in quantità molto grandi, dicono.

Un potenziale problema con i nanosheet di fosforo nero è che si degradano rapidamente a contatto con acqua o ossigeno. Quindi uno dei progressi che il team ha fatto è prevedere che alcuni solventi dovrebbero formare un guscio di solvatazione attorno al foglio, che impedisce all'ossigeno o ad altre specie ossidanti di raggiungere il fosforo.

Il team usa N-cicloesil-2-pirrolidone o CHP come solvente e per questo motivo i nanosheet sono sorprendentemente longevi.

Il grande vantaggio del fosforo nero rispetto al grafene è che ha un gap di banda naturale che i fisici possono sfruttare per realizzare dispositivi elettronici, come i transistor. Ma Hanlon e colleghi affermano che la ritrovata disponibilità di nanosheet di fosforo nero ha permesso loro di testare anche una serie di altre idee.

Ad esempio, hanno aggiunto i nanosheet a una pellicola di cloruro di polivinile, raddoppiando così la sua resistenza e aumentando di sei volte la sua resistenza alla trazione. Quindi non sono solo gli allotropi di carbonio che possono aumentare la forza!

Hanno anche determinato la risposta ottica non lineare dei nanosheet a un laser pulsato misurando la quantità di luce che viene trasmessa. Si scopre che la quantità di luce assorbita dal fosforo nero diminuisce all'aumentare dell'intensità, una proprietà nota come assorbimento saturabile. Inoltre, il fosforo nero è migliore anche del grafene.

Infine, hanno misurato la corrente attraverso i nanosheet esponendoli all'ammoniaca. Hanno scoperto che la resistenza del materiale aumentava quando veniva a contatto con l'ammoniaca, probabilmente perché l'ammoniaca dona elettroni che neutralizzano i buchi nei fogli di fosforo nero.

Ciò rende immediatamente il fosforo nero un discreto rilevatore di ammoniaca. Hanlon e colleghi affermano che il materiale potrebbe rilevare l'ammoniaca a livelli di circa 80 parti per miliardo.

Tutto ciò potrebbe segnare un interessante cambiamento di passo nella ricerca associata al fosforo nero. Molte persone avranno visto l'eccitazione associata alle straordinarie proprietà del grafene. Se il fosforo nero è notevole la metà, ci dovrebbe essere un futuro interessante per gli scienziati dei materiali.

Rif: arxiv.org/abs/1501.01881 : Esfoliazione liquida del fosforo nero stabilizzato con solvente: applicazioni oltre l'elettronica

nascondere