Collegati atomi di silicio sulle superfici


Collegati atomi di silicio sulle superfici

Dai polimeri di silicio, i ricercatori sperano in proprietà dei materiali innovative e nuovi candidati promettenti per potenziali applicazioni.

Materiali come l'arseniuro di gallio sono estremamente importanti per la produzione di dispositivi elettronici. Poiché le scorte sono limitate o possono presentare rischi per la salute e l'ambiente, gli specialisti sono alla ricerca di materiali alternativi. I cosiddetti polimeri coniugati sono candidati. Queste macromolecole organiche hanno proprietà semiconduttrici, cioè possono condurre elettricità in determinate condizioni. Un modo possibile per produrli nella forma bidimensionale desiderata, ovvero estremamente piatta, è presentato dalla chimica delle superfici, un campo di ricerca istituito nel 2007.

Da allora sono state sviluppate molte reazioni e sono stati prodotti materiali interessanti per possibili applicazioni. La maggior parte delle reazioni si basa sulla formazione di legami carbonio-carbonio. Un team composto da vari gruppi di lavoro dei dipartimenti di Chimica e Fisica dell'Università di Münster (Germania) ha ora utilizzato la formazione di legami silicio-silicio per costruire un polimero, una prima assoluta nella chimica delle superfici.

In precedenza, un ostacolo era stato il collegamento degli atomi di silicio. Costruire polimeri in questo modo usando la chimica sintetica tradizionale, cioè in una soluzione, è complicato. Il fatto che ora siano i primi ad essere riusciti a produrre un polimero di silicio è qualcosa che i ricercatori di Münster devono alle possibilità offerte dalla chimica delle superfici. Il trucco era il seguente: il legame degli atomi avviene su una superficie metallica estremamente liscia, sulla quale si depositano le molecole di vapore. Questo produce strati di materiale molto sottili. Se il normale carbonio viene sostituito dal silicio, si possono ottenere lunghi polimeri, anche con condizioni di reazione blande. Dai polimeri di silicio, i ricercatori sperano in proprietà dei materiali innovative e nuovi candidati promettenti per potenziali applicazioni. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry. (1)

Metodologia

Un team di chimici guidato dal Prof. Armido Studer (2) ha prodotto molecole costituite da gruppi sililici collegati tramite un cosiddetto linker organico. I fisici del team guidato dal Prof. Harald Fuchs (3) hanno studiato la loro reattività sulle superfici metalliche (oro o rame). Hanno dimostrato che la reazione dei legami silicio-idrogeno all'interno dei gruppi silile avveniva già a temperatura ambiente, mentre un accoppiamento simile di legami carbonio-carbonio normalmente richiede temperature superiori a 300 gradi Celsius.

Nella fase successiva, i ricercatori hanno chiarito l'esatta struttura dei collegamenti formati: due atomi di idrogeno vengono rimossi da ciascun atomo di silicio per creare le strutture di ordine superiore. Analisi più dettagliate hanno mostrato inoltre un legame degli atomi di silicio alla superficie metallica.

Poiché la struttura del polimero finale non poteva essere completamente chiarita utilizzando la consueta microscopia a tunneling a scansione (STM), un team guidato dal chimico Prof. Johannes Neugebauer (4) ha utilizzato metodi chimici computazionali per questo scopo e ha simulato le immagini STM di vari potenziali prodotti. Per fornire ulteriore supporto nella caratterizzazione del prodotto, un team guidato dal fisico Dr. Harry Mönig ha utilizzato un metodo specifico per questi problemi basato sulla microscopia a forza atomica. Questo metodo ha permesso non solo di rappresentare l'intero prodotto, ma anche di localizzare gli atomi di idrogeno con una risoluzione drasticamente aumentata. Il team di Johannes Neugebauer è anche riuscito a sviluppare un modello meccanicistico e a simulare le fasi di reazione necessarie per formare il prodotto trovato.

Contributi da diverse angolazioni

«Le proprietà dei polimeri potrebbero essere esaminate in studi futuri per quanto riguarda la loro conduttività elettrica», afferma il chimico Dr. Henning Klaasen. «Inoltre, il design molecolare potrebbe essere variato al fine di adattare le proprietà per un'applicazione dei materiali come semiconduttori organici».

Il Dr. Lacheng Liu, uno studente di dottorato in Fisica, aggiunge: «Inoltre, questo metodo potrebbe essere utilizzato per sviluppare una strategia completamente nuova per i cambiamenti molecolari alla funzionalizzazione di superfici e nanoparticelle».

In futuro, il team prevede di studiare più in dettaglio la chimica della superficie di nuovi gruppi funzionali contenenti silicio e mira anche a introdurre ulteriori gruppi funzionali.

La dottoressa Melanie Wittler, studentessa di dottorato in chimica, riassume il lavoro svolto: «Abbiamo dimostrato che non solo il carbonio può essere utilizzato per creare strutture affascinanti. I vari contributi forniti da diverse angolazioni - da chimici e fisici, da persone con un approccio teorico, da altri con un approccio pratico - tutti hanno richiesto un alto grado di creatività. Questo ci ha permesso di esplorare un nuovo percorso nelle reazioni di formazione di legami nella chimica di superficie».

Riferimenti:

(1) Polymerization of silanes through dehydrogenative Si–Si bond formation on metal surfaces

(2) Armido Studer

(3) Harald Fuchs

(4) Johannes Neugebauer

Descrizione foto: Rappresentazione schematica delle discipline coinvolte (centro) e trasformazione dell'idea (a sinistra) nel prodotto finale (a destra). Sullo sfondo a destra c'è un'immagine al microscopio a scansione di tunnel del prodotto: una singola molecola. - Credit: Klaasen/Witteler.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers first to link silicon atoms on surfaces

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