Più forte e flessibile del grafene, un singolo strato atomico di boro potrebbe rivoluzionare sensori, batterie elettriche e chimica catalitica.
di Emerging Technology from the arXiv
Non molto tempo fa, il grafene veniva considerato il materiale delle meraviglie. Uno strato sottilissimo, in fili di carbonio super resistenti, che può essere impiegato per formare tubi, sfere ed altre forme curiose. Grazie alle sue proprietà conduttive, gli scienziati dei materiali hanno immaginato un’era caratterizzata da calcoli informatici basati sul grafene e una proficua industria di chip in grafene. L’Unione Europea ha persino investito €1 miliardo per avviare l’industria del grafene.
Questo nuovo mondo del grafene non si è ancora materializzato, ma ha stimolato l’interesse per altri materiali bidimensionali, il più interessante dei quali è, per l’appunto, il borofene: un singolo strato di atomi di boro capace di formare varie strutture cristalline.
Il borofene ha attirato l’attenzione dei riercatori per la sua straordinaria varietà di potenziali applicazioni. Gli elettrochimici credono che il borofene possa diventare il materiale per gli anodi di una nuova generazione di potenti batterie agli ioni di litio. I chimici sono entusiasti per le sue proprietà catalitiche, mentre i fisici ne stanno testando le capacità di agire da sensore per il rilevamento di molteplici tipologie di atomi e molecole.
Zhi-Qiang Wang ed alcuni colleghi della Xiamen University, in Cina, hanno esaminato le sorprendenti proprietà del borofene e le sue potenziali applicazioni. Il borofene ha una storia breve: la sua esistenza è stata prevista negli anni ’90 utilizzando simulazioni al computer per mostrare come gli atomi di boro fossero in grado di formare uno strato bidimensionale.
Questa sostanza esotica, però, è stata sintetizzata solamente nel 2015 attraverso un processo di deposizione chimica di vapore, processo grazie al quale un gas caldo di atomi di boro si condensa su una superficie fredda di argento puro.
La disposizione regolare degli atomi di argento costringe gli atomi di boro a seguire un allineamento simile, al punto da consentire di formare un legame fra un massimo di sei atomi di boro e creare una struttura esagonale piatta. Ciononostante, una porzione rilevante degli atomi di boro si lega solamente a quattro o cinque altri atomi, con la conseguente formazione di vuoi nella struttura. È proprio l’ordine di questi vuoti a donare ai cristalli di borofene le loro proprietà uniche.
Dalla sintesi del primo cristallo di borofene, i chimici ne hanno avidamente caratterizzato le proprietà: più forte e flessibile del grafene, il borofene è un buon conduttore sia di elettricità che di calore, ed è capace di assolvere la funzione di superconduttore. Queste proprietà variano in base all’orientamento del materiale e alla conformazione dei vuoti all’interno della sua struttura, una caratteristica che lo rende “regolabile”, almeno in principio. Si spiega così l’entusiasmo dei chimici.
Il borofene è anche leggero e ragionevolmente reattivo, al punto da risultare un valido candidato per l’accumulo di ioni metallici nelle batterie. “Il borofene è un materiale promettente per gli anodi nelle batterie al Li, Na e Mg per merito delle sue specifiche capacità teoriche, l’eccellente conduttività elettronica e l’incredibile capacità di trasportare ioni”, spiegano Wang e co.
Persino gli atomi di idrogeno aderiscono facilmente alla struttura a mon-ostrato del borofene, e questa proprietà di assorbimento, abbinata all’enorme area superficiale degli strati atomici, fa del borofene un materiale promettente per lo stoccaggio di idrogeno. Studi teorici sembrano indicare la possibilità che il borofene accumuli idrogeno per un valore superiore al 15% del suo peso, una capacità sensibilmente maggiore rispetto ad altri materiali.
Vi è infine la capacità del borofene di catalizzare la scomposizione dell’idrogeno molecolare in ioni di idrogeno, e dell’acqua in idrogeno e ioni di ossigeno. “Le impressionanti capacità catalitiche del borofene sono state scoperte nella reazione evolutiva dell’idrogeno, nella reazione di riduzione dell’ossigeno, nella reazione evolutiva dell’ossigeno e nella reazione di elettroriduzione della CO2”, spiega il team. Queste reazioni potrebbero portare a una nuova era di cicli energetici a base d’acqua.
Nonostante tutto, i chimici dovranno ancora risolvere diversi problemi prima di assistere alla diffusione del borofene. Per cominciare, resta ancora da scoprire un sistema per produrre il borofene in grandi quantità. La reattività del materiale, inoltre, ne determina la tendenza a ossidare e la necessità di garantirne l’adeguata protezione. Entrambi i fattori fanno del borofene un materiale esotico, costoso da produrre e difficile da utilizzare.
Per approfondimenti: Review of borophene and its potential applications
(MO)
