Il Borofene

Il BOROFENE – “il nuovo materiale delle meraviglie”
– By Ing. Giuseppe Reda

Il Borofene è un monostrato atomico cristallino di boro, un allotropo bidimensionale del boro, noto anche come foglio di boro. Predetto teoricamente per la prima volta a metà degli anni ’90, diverse strutture di borofene sono state confermate sperimentalmente nel 2015 da un gruppo di ricercatori coordinati da Marc C. Hersam (Nothwestern University, Evaston, IL, USA) e Nathan P. Guisinger (Argonne National Laboratory, IL, USA).

Il boro è l’elemento chimico utilizzato per produrre questo materiale. È un semiconduttore che consente di condurre elettricità elettrica o di agire come isolante a seconda della pressione, della temperatura, della radiazione o di altre condizioni. Essendo un semimetallo, ha proprietà caratteristiche di quegli elementi che sono metalli e di quelli che non lo sono.

Per essere in grado di fare un foglio di borofene gli atomi devono essere legati insieme in modo che formino un singolo strato dello spessore di un singolo atomo. Queste sono una delle caratteristiche che lo rendono diverso dagli altri materiali. Ciò significa che, semplicemente, è necessario essere in grado di collegare tutti questi atomi in modo da generare un unico strato di atomi.

Per produrre il borofene, è stata utilizzata una procedura molto simile che viene utilizzata per produrre il diamante sintetico. Questa procedura è nota come deposizione chimica da vapore.

È interessante sapere che questo processo di deposizione chimica da vapore consiste nel far sì che un gas che era ad alta temperatura e che contiene atomi di boro possa condensare su una superficie molto omogenea. Questa superficie deve essere composta da argento puro. L’argento puro deve avere una temperatura molto inferiore a quella del gas in modo che possa condensarsi e cristallizzarsi su di esso. È così che riesce ad adottare una forma unica in cui è composto da uno strato di atomi.

La scelta di utilizzare argento puro non è altrettanto casuale. È noto che questi atomi acquisiscono una struttura e una consistenza cristallina abbastanza uniforme. Avendo una struttura superficiale molto uniforme, può costringere gli atomi di boro ad adottare una configurazione simile a questa superficie. Quando il gas viene a contatto con la superficie dell’argento puro, si trova a una temperatura molto più bassa il gas riesce a cristallizzare con una struttura simile. In questo modo si ottiene una struttura a forma di griglia esagonale piatta.

Il dispositivo generato è una camera di deposizione chimica da vapore. Il plasma è di colore viola ed è un gas che era ad alta temperatura e che contiene le particelle che andranno a depositarsi e consolidarsi nel materiale che si sta fabbricando. Tuttavia, si deve tenere conto che lo strato di atomi di boro non è completamente regolare perché alcuni atomi arrivano a stabilire legami con gli altri 6 atomi che l’elemento ha. La maggior parte di loro stabilisce legami solo con 4-5 atomi in più. Ciò causa la generazione di numerosi buchi nella struttura. È proprio l’ordine di questi vuoti a donare ai cristalli di borofene le loro proprietà uniche.


È quindi sorprendente che tutti gli scienziati coinvolti nella creazione del borofene abbiano confermato che il materiale è più flessibile e più duro del grafene.

Questo materiale è più duro del diamante. Inoltre, è un ottimo conduttore di elettricità in quanto ha un elevato indice di conducibilità termica. Questo indice è responsabile della misurazione della capacità che ha di trasportare energia come calore. Un’altra delle caratteristiche per cui genera così tante aspettative è che è molto leggero e nelle giuste condizioni di pressione e temperatura si comporta come un superconduttore. Ha una grande capacità di catturare gli atomi di idrogeno e può agire in una reazione chimica come reagente. Vi è la capacità del borofene di catalizzare la scomposizione dell’idrogeno molecolare in ioni di idrogeno, e dell’acqua in idrogeno e ioni di ossigeno. Le impressionanti capacità catalitiche del borofene sono state scoperte nella reazione evolutiva dell’idrogeno, nella reazione di riduzione dell’ossigeno, nella reazione evolutiva dell’ossigeno e nella reazione di elettroriduzione della CO2. Queste reazioni potrebbero portare a una nuova era di cicli energetici a base d’acqua.

Tutte queste proprietà fanno del borofene uno dei materiali più interessanti del pianeta recentemente scoperto.
By Ing. Giuseppe Reda, ex ricercatore presso Dipartimento di Chimica UNICAL, membro del Patto Vera Scienza.

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Questo innovativo materiale il Borofene verrà utilizzato in moltissimi applicazioni elettroindustriali.
Il borofene è il nuovo materiale del futuro e può avere tante applicazioni in ogni ambito, dalle batterie all’elettronica, dalla chimica alla fisica. Questo materiale è destinato a sostituire il grafene, che fino a poco tempo fa rappresentava una svolta, per le sue proprietà che lo rendono ancora più forte e flessibile.

Il grafene, sebbene non sia ancora arrivato nella vita quotidiana, ha suscitato l’interesse degli scienziati di tutto il mondo per le sue caratteristi, tanto che l’Unione Europea ha investito un miliardo di euro per dare vita all’industria del grafene. La sua capacità di condurre l’elettricità faceva pensare che fosse indicato nel campo dell’elettronica, oltre che in quello delle costruzioni, ma non ha mai avuto grande successo a livello commerciale.

Una nuova ricerca del MIT ci svela un possibile sostituto che potrebbe essere addirittura migliore: il borofene. Questo materiale presenta una struttura composta da un singolo strato di atomi di boro ed è adatto a una vastissima gamma di applicazioni. Gli elettrochimici pensano che il borofene potrebbe diventare il materiale anodico in una nuova generazione di batterie agli ioni di litio più capienti. I chimici sono affascinati dalle sue capacità catalitiche, mentre i fisici stanno testando le sue capacità utilizzandolo come un sensore per rilevare numerosi tipi di atomi e molecole.

Il borofene risulta essere più forte del grafene e più flessibile. È un buon conduttore di elettricità e calore, e anche un superconduttore. Queste proprietà variano a seconda dell’orientamento del materiale. Questo lo rende “sintonizzabile”, almeno in linea di principio. Questo è uno dei motivi per cui i chimici sono così entusiasti.

Il borofene è anche leggero e abbastanza reattivo. Ciò lo rende un buon candidato per conservare gli ioni metallici nelle batterie. “Il borofene è un materiale anodico promettente per batterie agli ioni di litio, Na e Mg, grazie alle elevate capacità teoriche specifiche, all’eccellente conduttività elettronica e alle eccezionali proprietà di trasporto degli ioni”, affermano il dott. Wang e il suo team di ricerca.

Ciò significa che potrebbe sostituire le attuali batterie al litio, presenti in smartphone e altri dispositivi elettronici, che sono non degradebili o tossiche e rappresentano un vero problema per l’ambiente.

Anche lo sviluppo delle batterie a idrogeno potrebbe beneficiare del Borofene: gli studi teorici suggeriscono che questo elemento potrebbe immagazzinare oltre il 15% del suo peso in idrogeno, superando significativamente le capacità degli altri materiali.

Le aspettative sono tante. La ricerca sul grafene continua ma parimenti si sta cercando un modo per condurre il borofene in grandi quantità. E la reattività del materiale significa che è vulnerabile all’ossidazione, quindi deve essere accuratamente protetto. Entrambi i fattori rendono il borofene costoso da produrre e difficile da gestire. Il lavoro da fare è ancora tanto ma gli scienziati si dicono ottimisti.
Tratto da: smartgreenpost.it/

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Borofene
Il borofene è un materiale bidimensionale con grandi potenzialità costituito da una struttura bidimensionale di boro

Il grafene, costituito da un singolo strato di grafite, è stato il primo materiale con struttura bidimensionale. Esso è stato considerato fin dalla sua scoperta avvenuta nel 2004 uno dei materiali più promettenti per la sua grande versatilità in molte e svariate applicazioni tecnologiche. Il grafene  mostra resistenza e rigidità superiore a quella dell’acciaio e una capacità di conduzione elettronica a temperatura ambiente più veloce di qualsiasi altra sostanza.

Materiali bidimensionali
Il monostrato atomico di grafene può essere considerato come la struttura di base di altre forme allotropiche del carbonio.

Mentre il boro nella sua forma tridimensionale è un non metallo che viene usato quale dopante di tipo p nei semiconduttori quando ha una struttura bidimensionale mostra proprietà metalliche.

Analogamente al carbonio che presenta diverse forme allotropiche che vanno dalla grafite al diamante, il boro che si trova nello stesso Periodo del carbonio ed è ad esso adiacente presenta anch’esso forme allotropiche.

La similitudine tra i due elementi, tuttavia, non va oltre. Infatti  il grafene non è altro che un singolo strato di grafite da cui può essere ottenuto per esfoliazione meccanica.  Il borofene è ottenuto vaporizzando il boro tramite un fascio elettronico e poi facendolo condensare su una pellicola sottile di argento utilizzando la tecnica della deposizione fisica da vapore (PVD)

Proprietà
Il materiale ottenuto non ha una superficie liscia e uniforme come avviene per il grafene ma ha una struttura simile a un cartone ondulato. Ciò  dipende dal modo in cui gli atomi di boro sono legati tra loro.

La presenza di queste creste provoca il fenomeno dell’anisotropia pertanto le proprietà meccaniche e elettroniche come la conduttività elettrica sono dipendenti dalla direzione e quindi, ad esempio, gli elettroni possono muoversi in una direzione più facilmente che in un’altra.

Inoltre da calcoli teorici i ricercatori hanno ipotizzato che il borofene potrebbe presentare una resistenza alla trazione maggiore di qualunque materiale ad oggi conosciuto.

Il borofene tuttavia si ossida in poco tempo ma questa caratteristica potrebbe rivelarsi vantaggiosa. La  reattività del borofene  infatti potrebbe essere sfruttata per modificarlo con altri gruppi chimici o inserito tra altri materiali al fine di variarne le proprietà.

Esso avrebbe densità elettronica maggiore rispetto al grafene e quindi se opportunamente raffreddato potrebbe agire la superconduttore.

Il borofene inoltre costituisce il battistrada per studi sul comportamento dell’alluminio che appartiene allo stesso Gruppo della Tavola Periodica. Secondo studi teorici anche l’alluminio potrebbe formare strutture di alluminene bidimensionali che avrebbe proprietà da oscurare quelle del grafene e del borofene.
Tratto da: chimicamo.org

L’ENERGIA e le SUE FORME di ESISTENZA.

Descrizione sintetica del contenuto del nuovo Libro dell’Ing. Giuseppe Reda, ricercatore.

L’autore: «Cerco di chiarire concetti e idee che derivano dalla classica visione dei sistemi considerati come macro unità e non in riferimento alla loro costituzione microscopica. Cerco di chiarire nozioni e significati che si sono diffusi come una sorta di virus pedagogico in tutta la società, producendo una vera pandemia.»

“La meccanica quantistica dimostra che l’oggettività è un fantasma prodotto dal mondo macroscopico, ma che nel microcosmo gli oggetti esistono in modo diverso in funzione del tipo di osservazione cui sono sottoposti. Essi non hanno esistenza oggettiva, ma soggettiva, il loro mostrarsi dipende dal soggetto che li osserva. 

La nostra conoscenza della realtà non potrà più pretendere di essere perfetta. Dobbiamo accettare la necessità di una ‘naturale’ indeterminazione, dietro la quale si nasconde una porzione di realtà attualmente per noi inconoscibile.”  

Prefazione 

Ogni teoria fisica stabilisce una relazione tra due livelli di descrizione del mondo naturale, uno fondamentale e un altro fenomenologico, e cerca di spiegare come il secondo possa emergere dal primo. Così ad esempio, nei primi decenni del novecento la meccanica quantistica ha assunto come livello fondamentale quello degli elettroni, dei nuclei e del campo elettromagnetico, e come livello fenomenologico quello dei sistemi materiali condensati: molecole, cristalli, liquidi, gas ecc. In tempi più recenti il livello fondamentale è stato spostato nel mondo dei leptoni, dei quarks, del campo elettro-debole e cromodinamico, e quello fenomenologico è stato spostato sul vecchio livello fondamentale dei nuclei atomici e degli elettroni.

Diamo per scontate senza riserva alcuna le proprietà macroscopiche della materia mentre essa è costituita di entità che obbediscono a leggi fisiche completamente diverse da quelle che regolano il mondo macroscopico. La descrizione del mondo microscopico richiede una logica profondamente diversa da quella che ci basta per ragionare sui fatti della nostra vita quotidiana.

Proviamo a spiegare come possa formarsi il livello dei fenomeni macroscopici a partire dal livello descrittivo di particelle quantistiche e delle leggi che ne governano il comportamento, ragionando solo quantisticamente. Come possiamo risalire dal livello strutturale fondamentale a quello dei fenomeni macroscopici? Come possiamo spiegare il fatto che da un mondo uniformemente popolato di pochissime specie di entità elementari, che interagiscono secondo leggi tutto sommato estremamente semplici e altamente simmetriche, possa generarsi l’immensa varietà e l’indescrivibile complessità di tutto ciò che si osserva in natura?

Lo scopo primario di questo lavoro è quello di presentare una nuova suddivisione dell’energia in “tipi” e “forme”.

Si cercherà di analizzare la composizione dell’energia interna posseduta da un sistema. Inizieremo a considerare l’energia interna che viene considerata in termodinamica (assenza di fenomeni chimici e nucleari), successivamente considereremo l’energia dovuta ai legami atomici e a quelli subatomici.

Verranno svolte alcune considerazioni sullo scambio di energia.

Verrà effettuata una analisi semantica delle grandezze che vengono usate in termodinamica: Entalpia, Exergia, Temperatura, Entropia, Energia Libera.

Verrà svolta una analisi energetica ed exergetica di un dispositivo termodinamico nel quale si verifica conversione oppure trasferimento di energia, sia che in esso un fluido percorra un ciclo o un circuito aperto, sia che la conversione o il trasferimento avvengano senza che alcun fluido percorra cicli o circuiti aperti ossia in modo diretto.

Il fine è quello di dare una nuova definizione di rendimento termodinamico (energetico) che sia applicabile a qualunque dispositivo termodinamico, sia che in esso avvengano scambi di energia disordinata sia che in esso avvengono scambi di energia ordinata, senza che venga contraddetta la stessa semantica di rendimento termodinamico.
Viene poi effettuato un confronto fra le due analisi.
Verranno dati, sulla base delle conclusioni ottenute, dei nuovi enunciati dei Principi della Termodinamica.

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About the Author: Giuseppe Reda

Ing. Giuseppe Reda, laureato in Ingegneria Meccanica indirizzo Energia Università della Calabria UNICAL. Già ricercatore presso Dipartimento di Chimica UNICAL,  già membro della commissione Rischi ed Etica-Sanitaria di INCER Institute (Centro Internazionale di Eccellenza per la Formazione e la Ricerca), autore del libro: L'ENERGIA E LE SUE FORME DI ESISTENZA - redagiuseppe@hotmail.com
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