Borofene: proprietà, materiali bidimensionali

Il borofene è un materiale bidimensionale con grandi potenzialità costituito da una struttura bidimensionale di boro. I materiali bidimensionali (2D) hanno attirato un notevole interesse di ricerca grazie alle loro proprietà definite con precisione e alle applicazioni versatili. In questo ambito, il borofene, un singolo foglio atomico di atomi di boro disposti in un reticolo a nido d’ape, è emerso come un candidato promettente.

Mentre si prevedeva teoricamente che i borofene avessero proprietà strutturali, ottiche ed elettroniche uniche, la sintesi sperimentale di fogli di borofene cristallini è stata dimostrata per la prima volta su substrati metallici nel 2015.

Da allora, gli sforzi di ricerca si sono concentrati sul controllo della sintesi di polimorfi di borofene semiconduttori e sull’esplorazione delle loro nuove caratteristiche fisiche. Il borofene, uno strato di boro monoatomico disposto in una struttura simile al grafene
Il grafene, costituito da un singolo strato di grafite, è stato il primo materiale con struttura bidimensionale.

Esso è stato considerato fin dalla sua scoperta avvenuta nel 2004 uno dei materiali più promettenti per la sua grande versatilità in molte e svariate applicazioni tecnologiche. Il grafene  mostra resistenza e rigidità superiore a quella dell’acciaio e una capacità di conduzione elettronica a temperatura ambiente più veloce di qualsiasi altra sostanza.

Il monostrato atomico di grafene può essere considerato come la struttura di base di altre forme allotropiche del carbonio. Mentre il boro nella sua forma tridimensionale è un non metallo che viene usato quale dopante di tipo p nei semiconduttori quando ha una struttura bidimensionale mostra proprietà metalliche.

Analogamente al carbonio che presenta diverse forme allotropiche che vanno dalla grafite al diamante, il boro che si trova nello stesso Periodo del carbonio ed è ad esso adiacente presenta anch’esso forme allotropiche.

La similitudine tra i due elementi, tuttavia, non va oltre. Infatti  il grafene non è altro che un singolo strato di grafite da cui può essere ottenuto per esfoliazione meccanica.

Sintesi del borofene

Sebbene teorizzata per la prima volta negli anni ’90, la sintesi sperimentale del borofene ha presentato ostacoli significativi a causa della natura complessa del legame chimico del boro e del suo polimorfismo risultante. La complessità ha ostacolato la sintesi del borofene atomicamente sottile. Una svolta significativa si è verificata nel 2015 quando i ricercatori hanno sintetizzato con successo vari polimorfi

Il borofene è ottenuto vaporizzando il boro tramite un fascio elettronico e poi facendolo condensare su una pellicola sottile di argento utilizzando la tecnica della deposizione fisica da vapore (PVD). Il materiale ottenuto non ha una superficie liscia e uniforme come avviene per il grafene ma ha una struttura simile a un cartone ondulato. Ciò  dipende dal modo in cui gli atomi di boro sono legati tra loro.

La presenza di queste creste provoca il fenomeno dell’anisotropia pertanto le proprietà meccaniche e elettroniche come la conduttività elettrica sono dipendenti dalla direzione e quindi, ad esempio, gli elettroni possono muoversi in una direzione più facilmente che in un’altra.

Proprietà

La planarità degli ammassi di boro è stata confermata sperimentalmente per la prima volta dal team di ricerca di L.-S. Wang

Inoltre da calcoli teorici i ricercatori hanno ipotizzato che il borofene potrebbe presentare una resistenza alla trazione maggiore di qualunque materiale ad oggi conosciuto.

Il borofene tuttavia si ossida in poco tempo ma questa caratteristica potrebbe rivelarsi vantaggiosa. La  reattività del borofene  infatti potrebbe essere sfruttata per modificarlo con altri gruppi chimici o inserito tra altri materiali al fine di variarne le proprietà.

Esso avrebbe densità elettronica maggiore rispetto al grafene e quindi se opportunamente raffreddato potrebbe agire la superconduttore.

Inoltre costituisce il battistrada per studi sul comportamento dell’alluminio che appartiene allo stesso Gruppo della Tavola Periodica. Secondo studi teorici anche l’alluminio potrebbe formare strutture di alluminene bidimensionali che avrebbe proprietà da oscurare quelle del grafene e del borofene.

La sua eccezionale capacità teorica, la conduttività e il trasporto di ioni  lo rendono un promettente anodo ad alta capacità per le batterie Li, Na e Mg. Il bandgap del borofene può essere modulato attraverso la deformazione di taglio applicata, raggiungendo fino a 0,538 eV . Questa sintonizzabilità è fondamentale per personalizzare le proprietà elettroniche e per un potenziale utilizzo in dispositivi con requisiti specifici di bandgap.

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