Un recente studio scientifico ha fornito una quantificazione empirica sull’interazione tra materiali bidimensionali e le forze intermolecolari deboli. La ricerca, in particolare, ha rivelato che gli strati di grafene esercitano un’azione di schermatura parziale sulle forze di van der Waals (vdW), con un grado di trasparenza che risulta essere direttamente correlato allo spessore del film atomicamente sottile.
Trasparenza dei materiali bidimensionali alle forze intermolecolari
I materiali bidimensionali (2D), caratterizzati da uno spessore di pochi atomi, sono ampiamente riconosciuti per le loro eccezionali proprietà elettriche, meccaniche e ottiche, le quali si discostano significativamente da quelle dei materiali in forma massiva. Recenti ricerche hanno iniziato a esplorare un’altra caratteristica cruciale di questi materiali: la loro “trasparenza” alle interazioni intermolecolari.
L’attenzione si è concentrata in particolare sulle forze di van der Waals (vdW), che sono deboli interazioni derivanti da fluttuazioni di cariche elettriche e che regolano l’attrazione tra molecole o superfici. Comprendere in che misura i materiali atomicamente sottili siano in grado di schermare queste forze è di fondamentale importanza, poiché potrebbe avere significative implicazioni per lo sviluppo di numerose tecnologie basate sui materiali 2D.
Un team di ricercatori composto da scienziati dell’Università di Pechino, dell’Università di aeronautica e astronautica di Nanchino e dell’Università di Tsinghua ha intrapreso uno studio mirato a stabilire se i sistemi di grafene 2D trasmettano completamente, schermino parzialmente o blocchino interamente le interazioni vdW.
I risultati ottenuti dal loro lavoro hanno dimostrato che gli strati di grafene nei sistemi 2D non bloccano completamente le interazioni, ma offrono una trasparenza parziale. Nello specifico, è stato rilevato che questi strati schermano tra il 15% e il 50% delle forze vdW, con l’efficacia della schermatura che varia in base allo spessore del grafene stesso.
Motivazione e metodologia di studio
La ricerca sulla trasparenza dei materiali bidimensionali è stata stimolata da un dibattito scientifico di lunga data, noto come “trasparenza bagnante” del grafene. Tale dibattito verteva sull’osservazione che l’angolo di contatto delle gocce d’acqua su un substrato non subiva alterazioni quando il substrato stesso veniva rivestito da un singolo strato di grafene.
Nel corso dell’ultimo decennio, la comunità scientifica ha registrato risultati contrastanti, con segnalazioni che spaziavano dalla trasparenza totale a quella parziale o addirittura all’opacità, generando notevole confusione. Come evidenziato da Zhaohe Dai, autore principale dello studio, il cuore del problema risiede in una domanda più profonda e fondamentale: in che modo un rivestimento atomicamente sottile modifica l’energia superficiale del substrato sottostante?
Gli esperimenti di bagnatura, sebbene utili, si sono rivelati inefficaci per indagare direttamente l’effetto dei rivestimenti atomici sull’energia superficiale dei substrati, a causa delle complesse interazioni liquido-solido.
Per superare le limitazioni degli esperimenti di bagnatura, un approccio più robusto richiede la misurazione diretta delle forze di van der Waals (vdW) tramite sonde classiche e consolidate. Dai e i suoi colleghi si sono quindi prefissati l’obiettivo specifico di quantificare l’influenza di un sottile rivestimento di grafene sulle interazioni vdW di un substrato solido sottostante, chiarendo come il grafene schermi o “faccia trapelare” le forze vdW del substrato.
Per raggiungere tale obiettivo, i ricercatori hanno impiegato la Microscopia a Forza Atomica Colloidale (AFM). Questo metodo si basa su un’idea semplice ma precisa: è stata fissata una microsfera di silice all’estremità di una leva (cantilever) per creare una sonda la cui geometria e rigidità fossero note con accuratezza.
La sonda è stata quindi avvicinata alla superficie di prova in un ambiente caratterizzato da un’umidità estremamente bassa (inferiore al $10\%$), una precauzione essenziale per evitare che le molecole d’acqua potessero alterare le misurazioni. I ricercatori hanno esaminato due tipi di campioni: uno in cui il grafene era supportato su un substrato di silice ($\text{SiO}_2$) e un altro in cui il grafene era sospeso sopra piccole cavità circolari.
Con questi campioni, il team ha eseguito due tipi di misurazioni complementari. Il primo test, denominato test di pull-off, consisteva nel misurare la forza precisa richiesta per staccare la microsfera dalla superficie del campione.
Analisi quantitativa della trasparenza del grafene alle forze di van der Waals
Per quantificare in che modo il grafene influenzi le interazioni di adesione, i ricercatori hanno condotto due tipi di misurazioni complementari sui loro campioni: il grafene supportato su SiO
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e il grafene sospeso. Il test di pull-off ha permesso di determinare quanto il substrato di SiO
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contribuisse all’adesione totale, tramite un confronto tra i campioni. Il test di pull-in, invece, ha monitorato l’aumento della forza attrattiva tra la microsfera e la superficie al diminuire della distanza tra esse.
Le misurazioni raccolte hanno confermato, in modo coerente, che il grafene trasmette le forze del substrato sottostante. Tuttavia, i test di pull-in hanno fornito i dati più affidabili e quantitativi, essenziali per estrarre un fattore di trasparenza. Questo valore indica la percentuale di interazione di van der Waals (vdW) del substrato che rimane “visibile” attraverso un film di grafene composto da $N$ strati atomici.
La scoperta più rilevante è che la trasparenza del grafene nei confronti delle interazioni vdW non è un valore fisso. Come spiegato da Zhaohe Dai, essa dipende in modo cruciale sia dalla distanza tra le due superfici interagenti sia dallo spessore del film di grafene. Ad esempio, quando un substrato rivestito con un singolo strato di grafene interagisce con un’altra superficie attraverso uno spazio di circa $5$ nanometri, il grafene trasmette circa l’$85\%$ della forza vdW del substrato.
Lo studio condotto da Dai e colleghi stabilisce un quadro teorico e sperimentale coerente per l’analisi delle forze vdW nei materiali 2D. In primo luogo, introduce una metodologia diretta e affidabile per quantificare un fenomeno che in precedenza era fonte di ambiguità. In secondo luogo, evidenzia il potenziale dei rivestimenti a strati atomici, come il grafene, per la regolazione precisa delle proprietà superficiali, in particolare l’adesione.
La metodologia e i dati raccolti aprono la strada a ulteriori esperimenti volti a sondare le capacità di schermatura di altri materiali 2D. In prospettiva, il lavoro del team può guidare la progettazione di dispositivi su scala nanometrica che sfruttano l’adesione e la trasmissione delle forze vdW. I ricercatori mirano ora a utilizzare la conoscenza quantitativa acquisita per progettare superfici di silice — ampiamente impiegate nei dispositivi elettronici e fotonici — con proprietà superficiali personalizzate.
L’obiettivo è esplorare come tali rivestimenti possano regolare l’affinità della superficie con altri componenti, come strati funzionali o contatti elettrici, al fine di migliorare l’adesione, la compatibilità e le prestazioni complessive nei sistemi integrati.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
