Eterostrutture 2D di carbonio: realizzate giunzioni sp–sp² con precisione atomica
Pubblicato su Advanced Materials uno studio internazionale coordinato dal NanoLab del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. La ricerca dimostra la sintesi di giunzioni laterali tra nanoribbon di grafene e graphdiyne, aprendo nuove possibilità per il controllo delle proprietà elettroniche dei materiali bidimensionali.
È stato pubblicato online il 23 agosto 2026 su Advanced Materials, una delle riviste scientifiche internazionali di riferimento nel campo della scienza dei materiali, l’articolo “2D Abrupt Nano-Junctions Blending sp–sp² Bonds on Atomically Precise Heterostructures”.
Lo studio porta la firma, per il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, di Alice Cartoceti, Paolo D’Agosta, Andrea Li Bassi e Carlo S. Casari ed è frutto di una collaborazione con l’Università degli Studi di Milano, l’Università di Pavia, l’Università di Padova e la Universidad de Zaragoza in Spagna.
Materiali diversi, composti soltanto da carbonio
La ricerca riguarda le eterostrutture bidimensionali, sistemi nei quali materiali con proprietà differenti vengono accostati all’interno di uno strato dello spessore di pochi atomi. La zona in cui i due materiali si incontrano – la giunzione – è particolarmente importante, perché può determinare il modo in cui le cariche elettriche si distribuiscono e si muovono nel sistema.
Il gruppo di ricerca ha realizzato una giunzione laterale interamente composta da carbonio, collegando nanoribbon di grafene e graphdiyne idrogenata su una superficie cristallina d’oro. Pur essendo formati dallo stesso elemento, si tratta di due materiali diversi che presentano una differente struttura e differenti properietà.
Nel grafene infatti l’ibridazione degli atomi di carbonio è sp², che dà origine alla caratteristica struttura planare a celle esagonali e alle sue elevate proprietà di trasporto elettronico. La graphdiyne combina invece legami sp e sp² in una rete più aperta, nella quale anelli di carbonio sono connessi da catene lineari contenenti singoli e tripli legami. Questa diversa architettura atomica conferisce al materiale proprietà elettroniche complementari a quelle del grafene.
Una giunzione costruita con precisione atomica
L’elemento innovativo dello studio risiede nella sintesi sperimentale di un’interfaccia covalente, netta e controllata su scala atomica tra queste due forme bidimensionali del carbonio. Finora, infatti, le eterostrutture di carbonio ottenute sperimentalmente erano basate soprattutto su varianti del grafene caratterizzate dalla sola ibridazione sp².
La struttura è stata prodotta mediante sintesi su superficie, un processo bottom-up nel quale precursori molecolari opportunamente progettati reagiscono su un substrato metallico, formando progressivamente la nanostruttura desiderata. La presenza di legami covalenti all’interfaccia è stata osservata attraverso microscopia a effetto tunnel a bassa temperatura in grado di raggiungere la risoluzione atomica. I dati sperimentali sono stati affiancati da calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità, utilizzati per ricostruire il meccanismo di formazione della giunzione e analizzarne le proprietà elettroniche.
Lo studio evidenzia inoltre il ruolo decisivo della chimica della superficie. Gli atomi di bromo rilasciati durante la trasformazione dei precursori molecolari possono infatti rimanere adsorbiti lungo i nanonastri e ostacolare la formazione dei legami tra grafene e grafdiino. La loro rimozione controllata mediante idrogeno atomico consente di aumentare fino al 66% l’efficienza di formazione delle giunzioni.
Proprietà elettroniche modulabili
I calcoli mostrano che, anche dopo la formazione del legame covalente, i due materiali conservano caratteristiche elettroniche distinguibili. L’interfaccia, pur essendo estremamente netta, può quindi separare spazialmente i percorsi della corrente all’interno della struttura.
In particolare, modificando la tensione applicata è possibile variare il contributo dei due componenti al trasporto elettronico e indirizzare preferenzialmente la corrente attraverso il nanoribbon di grafene oppure attraverso la graphdiyne. Questa possibilità di controllare il percorso delle cariche rappresenta l’aspetto funzionale più rilevante del risultato e suggerisce un potenziale impiego delle giunzioni sp–sp² nella progettazione di futuri componenti elettronici su scala nanometrica.
Lo studio costituisce un risultato di ricerca fondamentale: non presenta ancora un dispositivo pronto per l’applicazione, ma dimostra che è possibile sintetizzare e controllare eterostrutture laterali interamente costituite da carbonio, combinando con precisione atomica forme diverse dello stesso elemento. Il lavoro definisce così una strategia per progettare nuove architetture 2D nelle quali struttura chimica e trasporto elettronico possano essere regolati già nella fase di sintesi.
Approfondimenti
A. Cartoceti et al., “2D Abrupt Nano-Junctions Blending sp–sp² Bonds on Atomically Precise Heterostructures”, Advanced Materials, pubblicato online il 23 agosto 2026. DOI: 10.1002/adma.74740.
Il gruppo di ricerca Materiali Micro e Nanostrutturati (NanoLab) del Dipartimento di Energia riunisce docenti e ricercatori con esperienza nella fisica della materia e si occupa dello sviluppo e della caratterizzazione di materiali per applicazioni energetiche. Grazie a competenze nella fisica dei solidi, delle superfici e dei plasmi, il gruppo studia come la struttura dei materiali su scala nanometrica ne influenzi le proprietà elettroniche, ottiche e chimiche. Le attività combinano approcci teorici e sperimentali, tecniche di sintesi e strumenti avanzati di microscopia e spettroscopia, con particolare attenzione a film sottili e superfici per il fotovoltaico, la fotocatalisi e le tecnologie nucleari.
