Fosforene, un materiale avanzatissimo

Fino a pochi anni fa il fosforo nero era considerato dai chimici come la pecora nera della famiglia del fosforo elementare e, per la sua stabilità e riluttanza a reagire rispetto alle altre forme rossa e bianca, era semplicemente ignorato. Non reattivo e assai difficile da preparare, era considerato di utilità pari a zero. Gli studi che avevano a che fare con il fosforo nero erano pochissimi e di scarso valore scientifico e tecnologico: una curiosità nei libri di testo di chimica inorganica e nulla più. Questa situazione è improvvisamente cambiata quando, nel 2014, è stato dimostrato che dal fosforo nero è possibile ricavare, senza neppure grande sforzo, un nuovo materiale bidimensionale, formato da un solo strato di atomi di fosforo e con proprietà estremamente interessanti per le possibili applicazioni in micro e nano-elettronica.

Il fosforene, questo il nome del prodotto ottenibile dal fosforo nero, è uno degli ultimi esponenti della famiglia dei materiali bidimensionali, il cui capostipite è il ben più noto grafene. I due sono fortemente imparentati, tanto da poter essere considerati 'cugini'. Hanno infatti la stessa topologia a nido di api, ma mentre il secondo, fatto da soli atomi di carbonio, è planare, il fosforene, costituito unicamente da atomi di fosforo, ha una fisionomia ondulata, dove valli si alternano a colline formate da atomi di fosforo, intercalati in un continuo saliscendi. Il fosforene poi, a differenza del grafene, è un semicondutture in cui il 'band gap', ovvero la differenza di energia fra i livelli occupati dagli elettroni e quelli vuoti, dipende dal numero di strati di atomi di fosforo, ovvero dal numero di foglietti 2D impilati l'uno sull'altro. Questa caratteristica permette, ad esempio, di modulare la risposta di un dispositivo micro- o nano-elettronico in funzione del numero di strati, cosa non possibile per il grafene.

Il progetto Erc Advanced Grant Phosfun-Phosphorene Functionalization: a New Platform for Advanced Multifunctional Materials, che ha come principal investigator il direttore dell'Istituto di chimica dei composti organo metallici (Iccom) del Cnr di Sesto Fiorentino, Maurizio Peruzzini, si propone di studiare il fosforene e la sua reattività chimica con lo scopo di proporre strategie per la sua funzionalizzazione.

Il mondo dei bidimensionali è una regione di frontiera, largamente sconosciuta e inesplorata dai chimici se guardiamo ai progressi fatti negli ultimi 200 anni. I chimici sono infatti i signori della trasformazione nella dimensione zero, ovvero sono capaci di 'giocare' con le molecole, combinandole in strutture sempre nuove e sorprendenti, e di prevederne le proprietà e le applicazioni. Un sottoinsieme di chimici, i polimeristi o costruttori di catene monodimensionali, hanno trasformato negli ultimi 80 anni il nostro mondo grazie alla tecnologia dei polimeri, che ci ha regalato le materie plastiche e permesso di scoprire i segreti delle macromolecole biologiche. Più recentemente sono stati sintetizzati veri e propri materiali tridimensionali come ad esempio i MoFs (Metal Organic Frameworks) o i polimeri di coordinazione, che promettono di avere importanti applicazioni nella separazione e immagazzinamento di molecole, nella catalisi e nel drug delivery.

Il mondo della chimica bidimensionale è invece ancora in gran parte inesplorato anche se, in prospettiva, fa intravedere importantissimi sviluppi e scoperte che lasciano immaginare applicazioni affascinanti. Il progetto Erc Phosfun si propone di contribuire a colmare questo vuoto, costruendo all'interno del Cnr una filiera di ricerca completa centrata sul fosforene che, partendo dalla sua sintesi, arrivi alla sua trasformazione e funzionalizzazione chimica per approdare, come ultimo traguardo, all'utilizzo per la catalisi e la fabbricazione di dispositivi elettronici e optoelettronici. L'obiettivo principale del progetto è quello di esplorare le diverse possibilità di modificare la superficie del fosforene, creando legami covalenti o, più semplicemente, decorando la sua superficie con molecole assorbite o, ancora, cercando di costruire assemblaggi di diversi materiali 2D anche per auto-organizzazione di foglietti di fosforene.

Per sviluppare il progetto Phosfun, la 'compagnia del fosforene', formata da ricercatori di tre istituti Cnr di Firenze, Pisa e Bologna, raccoglie competenze differenti e comprende chimici dell'Iccom-Cnr esperti nella sintesi, caratterizzazione e manipolazione del fosforo e dei suoi derivati (Maurizio Peruzzini, Maria Caporali e Manuel Serrano) e altri competenti nella sua caratterizzazione strutturale con metodi sperimentali e teorici (Matteo Ceppatelli, Andrea Ienco e Gabriele Manca). Il team include anche chimici e fisici dei materiali come Stefano Toffanin dell'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati del Cnr di Bologna, per la parte di preparazione dei dispositivi, e Stefan Heun dell'Istituto nanoscienze del Cnr di Pisa, per la microelettronica.

Fonte: Maurizio Peruzzini, Istituto di chimica dei composti organo metallici, Sesto Fiorentino, tel. 055/5225289 , email maurizio.peruzzini@cnr.it -