Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

I materiali bidimensionali sono fogli di materia così sottili da essere composti da un unico strato di atomi, eppure possiedono proprietà che le versioni più voluminose della stessa sostanza semplicemente non hanno. Tra questi, una famiglia nota come MXeni ha attirato una significativa attenzione per la sua capacità di condurre elettricità e per il suo potenziale di immagazzinare energia. Questi materiali vengono tipicamente creati sfogliando strati da un cristallo più grande, lasciando dietro di sé una superficie che è spesso coperta da vari atomi come ossigeno o fluoro. Questi atomi superficiali agiscono come una pelle, cambiando fondamentalmente il modo in cui il materiale si comporta. Recentemente, gli scienziati si sono interessati a una specifica variazione chiamata struttura Janus, chiamata così dal dio romano a due facce. In questi fogli, i due lati sono diversi l'uno dall'altro, con una faccia coperta da un tipo di atomo e la faccia opposta da un altro. Questa asimmetria crea un ambiente interno unico che può essere sintonizzato per produrre nuovi effetti elettronici, incluso il potenziale teorico di condurre elettricità senza alcuna resistenza, un fenomeno noto come superconduttività.

In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di esplorare come questo design Janus possa funzionare con due metalli specifici, vanadio e niobio, quando le loro superfici sono coperte da una miscela di idrogeno e zolfo. Utilizzando potenti simulazioni al computer, il team ha modellato singoli strati di questi materiali per vedere se rimarrebbero integri e come avrebbero condotto l'elettricità. Hanno scoperto che sia i fogli a base di vanadio che quelli a base di niobio erano stabili e non si sarebbero decomposti in condizioni normali. Più importante ancora, lo studio prevede che entrambi i materiali potrebbero essere superconduttori, il che significa che potrebbero trasportare una corrente elettrica con perdita di energia zero, ma solo a temperature estremamente basse. Lo studio ha rivelato che, sebbene entrambi i materiali mostrino questo potenziale, quello contenente niobio è il superconduttore più efficace, capace di mantenere questo stato a una temperatura più alta rispetto al suo corrispondente di vanadio.

I ricercatori hanno iniziato costruendo i modelli atomici di questi due fogli. Ogni foglio consiste in uno strato centrale di atomi di carbonio racchiuso tra due strati di atomi metallici. Su un lato del foglio, gli atomi metallici sono legati allo zolfo, mentre sull'altro lato sono legati all'idrogeno. Questa disposizione crea uno squilibrio elettrico permanente attraverso il foglio, molto simile a una batteria con un lato positivo e uno negativo, il che è una diretta conseguenza delle due diverse facce. Le simulazioni hanno mostrato che gli atomi in questi fogli sono tenuti insieme saldamente e che i materiali rimangono stabili anche quando riscaldati alla temperatura ambiente in un ambiente simulato. Il team ha anche controllato il magnetismo, una proprietà che spesso interferisce con la superconduttività, e ha scoperto che nessuno dei due materiali esibiva alcun comportamento magnetico, il che è una condizione favorevole affinché emerga lo stato superconduttore.

Quando gli scienziati hanno esaminato come l'elettricità si muove attraverso questi fogli, hanno scoperto che entrambi i materiali agiscono come metalli, con gli elettroni che fluiscono liberamente attraverso di essi. Il flusso di elettricità è guidato principalmente dagli elettroni che orbitano attorno agli atomi metallici. Tuttavia, i due materiali non sono identici. Il foglio di niobio ha una spaziatura tra i suoi atomi leggermente maggiore rispetto al foglio di vanadio, una differenza che cambia il modo in cui gli elettroni e gli atomi vibranti interagiscono tra loro. Questa interazione è la chiave della superconduttività in questi materiali. Affinché un materiale diventi un superconduttore, gli elettroni devono accoppiarsi e muoversi attraverso il reticolo di atomi senza urtarli. Questo accoppiamento è facilitato dalle vibrazioni degli atomi stessi. I ricercatori hanno calcolato quanto fortemente gli elettroni si accoppiano con queste vibrazioni e hanno scoperto che il foglio di niobio ha una connessione più forte del foglio di vanadio.

Questa connessione più forte porta a una temperatura più alta alla quale il materiale è previsto che diventi superconduttore. Lo studio prevede che il foglio a base di vanadio diventerà superconduttore a una temperatura di 2,36 Kelvin, che è appena sopra lo zero assoluto. Il foglio a base di niobio, tuttavia, è previsto che diventi superconduttore a 5,27 Kelvin. Sebbene queste temperature siano ancora incredibilmente fredde, il fatto che la versione di niobio funzioni a una temperatura più alta è significativo. I ricercatori hanno scoperto che il principale motore per questo effetto deriva dalle vibrazioni a bassa energia degli atomi di metallo e zolfo. Questi atomi pesanti vibrano lentamente, e sono questi movimenti specifici che rendono conto di circa il 77 percento della capacità del materiale di diventare superconduttore. Gli atomi più leggeri di idrogeno e carbonio giocano un ruolo molto più piccolo in questo processo.

I risultati suggeriscono che sostituendo un metallo con un altro all'interno della stessa struttura Janus, gli scienziati possono sintonizzare finemente le proprietà superconduttrici di questi materiali. Lo studio esclude l'idea che i due materiali si comporterebbero in modo identico solo perché condividono la stessa forma e gli stessi atomi superficiali; al contrario, la scelta specifica del metallo determina la forza dell'effetto superconduttore. I ricercatori hanno anche notato che i materiali sono meccanicamente robusti, il che significa che sono rigidi e resistenti allo stiramento, un aspetto importante per qualsiasi futuro uso pratico. Sebbene questi risultati siano attualmente basati su simulazioni al computer e non siano ancora stati creati in un laboratorio, i calcoli forniscono una chiara tabella di marcia su cosa aspettarsi se questi materiali venissero sintetizzati. Il lavoro evidenzia che l'MXene Janus a base di niobio è un candidato particolarmente promettente per future applicazioni a bassa temperatura, offrendo una nuova via per progettare materiali quantistici bidimensionali con proprietà elettriche su misura.