Uno strato d’oro a un solo atomo: i ricercatori creano il goldene

Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a creare fogli d’oro spessi solo un singolo atomo. Il materiale è stato chiamato goldene. Secondo i ricercatori dell’Università di Linköping, in Svezia, ciò ha conferito all’oro nuove proprietà che possono renderlo adatto all’uso in applicazioni come la conversione dell’anidride carbonica, la produzione di idrogeno e la produzione di sostanze chimiche a valore aggiunto

Insieme ai colleghi ricercatori Lars Hultman e Shun Kashiwaya hanno creato goldene. Credito immagine: Olov Planthaber/Università di Linköping

Gli scienziati hanno cercato a lungo di produrre fogli d’oro dello spessore di un singolo atomo, ma hanno fallito a causa della tendenza del metallo a raggrupparsi. Ma ora i ricercatori dell’Università di Linköping ci sono riusciti grazie a un metodo centenario utilizzato dai fabbri giapponesi.

“Se rendi un materiale estremamente sottile, accade qualcosa di straordinario – come con il grafene. La stessa cosa accade con l’oro. Come sapete, l’oro è solitamente un metallo, ma se ha uno spessore di un singolo atomo, può invece diventare un semiconduttore”, afferma Shun Kashiwaya, ricercatore presso la Divisione di Design dei Materiali dell’Università di Linköping.

Materiale di base 3D

Per creare Goldene, i ricercatori hanno utilizzato un materiale di base tridimensionale in cui l’oro è incorporato tra strati di titanio e carbonio. Ma inventare Goldene si è rivelata una sfida. Secondo Lars Hultman, professore di fisica dei film sottili all’Università di Linköping, parte del progresso è dovuto alla serendipidia.

“Avevamo creato il materiale di base pensando ad applicazioni completamente diverse. Abbiamo iniziato con una ceramica elettricamente conduttiva chiamata carburo di silicio di titanio, dove il silicio è presente in strati sottili. Quindi l’idea era di rivestire il materiale con oro per creare un contatto. Ma quando abbiamo esposto il componente ad alta temperatura, lo strato di silicio è stato sostituito dall’oro all’interno del materiale di base”, afferma Lars Hultman.

Questo fenomeno si chiama intercalazione e ciò che i ricercatori avevano scoperto era il carburo di oro e titanio. Per diversi anni, i ricercatori hanno avuto a disposizione carburo d’oro e titanio senza sapere come l’oro potesse essere esfoliato o estratto, per così dire.

Arte della forgiatura giapponese

Per caso, Lars Hultman ha trovato un metodo che viene utilizzato nell’arte della forgiatura giapponese da oltre cento anni. Si chiama reagente di Murakami e, ad esempio, rimuove i residui di carbonio e cambia il colore dell’acciaio nella fabbricazione dei coltelli. Ma non era possibile utilizzare esattamente la stessa ricetta dei fabbri. Shun Kashiwaya ha dovuto esaminare le modifiche:

“Ho provato diverse concentrazioni del reagente di Murakami e diversi intervalli di tempo per l’incisione. Un giorno, una settimana, un mese, diversi mesi. Ciò che abbiamo notato è che minore è la concentrazione e più lungo è il processo di attacco, meglio è. Ma non era ancora abbastanza”, dice.

Anche l’incisione deve essere eseguita al buio poiché quando viene colpita dalla luce si sviluppa cianuro che scioglie l’oro. L’ultimo passo è stato quello di rendere stabili i fogli d’oro. Per evitare che i fogli bidimensionali esposti si arricciassero è stato aggiunto un tensioattivo. In questo caso una lunga molecola che separa e stabilizza i fogli, cioè un tensioattivo.

“Le sfoglie dorate sono in una soluzione, un po’ come i cornflakes nel latte. Usando una specie di “setaccio”, possiamo raccogliere l’oro ed esaminarlo al microscopio elettronico per confermare che ci siamo riusciti. E lo abbiamo”, dice Shun Kashiwaya.

Molte possibili applicazioni

Le nuove proprietà del goldene sono dovute al fatto che l’oro ha due legami liberi quando è bidimensionale. Grazie a ciò, le applicazioni future potrebbero includere la conversione dell’anidride carbonica, la catalisi per la generazione di idrogeno, la produzione selettiva di sostanze chimiche a valore aggiunto, la produzione di idrogeno, la purificazione dell’acqua, la comunicazione e molto altro.

Inoltre, la quantità di oro utilizzata oggi nelle applicazioni può essere molto ridotta.

Il prossimo passo per i ricercatori LiU sarà quello di indagare se sia possibile fare lo stesso con altri metalli nobili e identificare ulteriori applicazioni future.

La ricerca è stata finanziata dal Consiglio svedese delle ricerche, dall’Area di ricerca strategica in scienza dei materiali (AFM) del governo svedese presso l’Università di Linköping, dalla Fondazione Knut e Alice Wallenberg, dalla Fondazione Åforsk, dalla Fondazione Olle Enqvist, dalla Fondazione Carl Trygger, dal Göran Gustafsson Fondazioni, MIRAI 2.0, l’infrastruttura nazionale svedese per l’informatica (SNIC) e l’infrastruttura accademica nazionale per il supercalcolo in Svezia (NAISS).

Articolo: Sintesi del goldene comprendente oro a strato singoloShun Kashiwaya, Yuchen Shi, Jun Lu, Davide G. Sangiovanni, Grzegorz Greczynski, Martin Magnuson, Mike Andersson, Johanna Rosen e Lars Hultman; Sintesi della naturapubblicato online il 16 aprile 2024, DOI: 10.1038/s44160-024-00518-4

Scritto da Anders Törneholm

Fonte: Università di Linköping