Innovazioni nella fisica dei materiali
Un team di scienziati austriaci ha raggiunto un traguardo significativo nel campo della fisica dei materiali, riuscendo per la prima volta a inserire singoli atomi di platino all’interno di un materiale ultrafine e a localizzarli con una precisione atomica. Questa ricerca innovativa, condotta presso l’Università di Vienna e la Vienna University of Technology (TU Wien), ha utilizzato un metodo all’avanguardia che combina l’ingegneria dei difetti nel materiale ospite, il posizionamento controllato degli atomi di platino e una tecnica di imaging elettronico avanzata, nota come Single-Sideband Ptychography (SSB). Jani Kotakoski, PhD e leader del gruppo di ricerca, ha sottolineato come questo traguardo possa rivoluzionare la progettazione di materiali a livello atomico, aprendo nuove possibilità per applicazioni future.
Importanza dei centri attivi nei materiali
I centri attivi, piccole aree sulla superficie del materiale dove si verificano reazioni chimiche o dove le molecole di gas possono legarsi in modo specifico, rivestono un’importanza cruciale per migliorare l’efficienza, la selettività e le prestazioni complessive dei materiali utilizzati nella catalisi e nella rilevazione di gas. Questi centri risultano particolarmente efficaci quando sono costituiti da singoli atomi metallici, come il platino. Il team di ricerca ha non solo cercato di produrre questi centri attivi, ma ha anche visualizzato con una precisione senza precedenti. Il materiale ospite scelto per questa ricerca è il disolfuro di molibdeno (MoS), un semiconduttore ultrafine noto per la sua struttura altamente regolabile. Per creare nuovi siti attivi, gli scienziati hanno impiegato l’irradiazione con ioni di elio, generando deliberatamente difetti a scala atomica sulla superficie del materiale, come le vacanze di zolfo. Questi siti di vacanza sono stati successivamente riempiti in modo selettivo con singoli atomi di platino, permettendo così al team di ingegnerizzare il materiale a livello atomico.
Superare le limitazioni della microscopia elettronica
Fino ad ora, studi precedenti non erano riusciti a fornire prove dirette delle posizioni esatte degli atomi estranei all’interno della rete atomica, poiché la microscopia elettronica tradizionale non possedeva il contrasto necessario per distinguere chiaramente tra i diversi tipi di difetti, come le vacanze di zolfo singole e doppie. Per superare questa limitazione, il team ha adottato un metodo di imaging all’avanguardia chiamato Single-Sideband Ptychography (SSB), che analizza i modelli di diffrazione elettronica per raggiungere una risoluzione a livello atomico. “Grazie alla nostra combinazione di ingegneria dei difetti, doping e ptychografia, siamo stati in grado di visualizzare anche le differenze più sottili nella rete atomica e di determinare con chiarezza se un atomo di platino fosse stato incorporato in una vacanza o semplicemente appoggiato sulla superficie”, ha dichiarato David Lamprecht, MSc, studente presso l’istituto di microelettronica dell’Università di Vienna e autore principale dello studio.
Prospettive future nella progettazione di materiali
Utilizzando simulazioni al computer, gli scienziati sono riusciti a identificare con precisione i diversi siti di incorporazione, come le posizioni originariamente occupate da atomi di zolfo o molibdeno. Questo segna un progresso significativo verso la progettazione mirata di materiali. Il team è convinto che la combinazione del posizionamento mirato degli atomi con l’imaging a precisione atomica possa aprire nuove strade per la creazione di catalizzatori avanzati e per la rilevazione di gas altamente selettiva. Infatti, singoli atomi di platino posizionati in siti definiti con precisione possono fungere da catalizzatori estremamente efficienti, come nel caso della produzione di idrogeno ecologica. Inoltre, il materiale può essere progettato per rispondere in modo selettivo a specifiche molecole di gas. “Con questo livello di controllo sul posizionamento degli atomi, possiamo sviluppare sensori funzionalizzati in modo selettivo, rappresentando un miglioramento significativo rispetto ai metodi esistenti”, ha concluso Kotakoski in un comunicato stampa.
Applicazioni oltre il platino e il disolfuro di molibdeno
Il team di ricerca ha inoltre sottolineato che il loro approccio non è limitato al platino e al disolfuro di molibdeno, ma può essere applicato a una vasta gamma di materiali bidimensionali e combinazioni di atomi droganti. Con l’obiettivo di ottenere un controllo sempre più preciso sulla creazione di difetti e di incorporare passaggi di trattamento posteriore, i ricercatori sperano di perfezionare ulteriormente la tecnica. Il loro traguardo finale è lo sviluppo di materiali funzionali con proprietà personalizzate, in cui ogni atomo è posizionato con assoluta precisione. I risultati di questo studio sono stati pubblicati nella rivista scientifica Nano Letters, contribuendo così a un avanzamento significativo nel campo della scienza dei materiali.
