I materiali del futuro saranno bidimensionali e con eccezionali proprietà: più resistenti dell’acciaio, più leggeri dell’alluminio, flessibili come la plastica.
Dopo anni di attività sul grafene, l’interesse della comunità scientifica e degli innovatori va progressivamente spostandosi verso la ricerca di altri materiali bidimensionali, in grado di sostituire i semiconduttori convenzionali e particolarmente adatti per la realizzazione di dispositivi compatti, a basso consumo e flessibili.
Un nuovo studio, coordinato dai ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università La Sapienza di Roma, in collaborazione con il Centro di ricerca per le nanotecnologie applicate all’ingegneria (Cnis) della Sapienza, l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Cnr e la Australian National University, ha individuato un metodo innovativo per creare cristalli a due dimensioni altamente deformati.
“Attraverso la formazione di bolle di idrogeno ad alta pressione è possibile modificare le proprietà fisiche e strutturali di semiconduttori innovativi per l’optoelettronica e il fotovoltaico”, spiegano i ricercatori della Sapienza. Che sottolineano: “la possibilità di indurre deformazioni meccaniche controllate in questi materiali può essere sfruttata per modellarne a piacimento le proprietà elettroniche, ottiche e di trasporto”.
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Applicazioni dalla fotonica alle energie pulite
Sono numerose le possibili applicazioni di questo lavoro, che è appena agli inizi, nel campo della fotonica, della nanomeccanica, dell’attuazione optomeccanica, della sensoristica e delle energie pulite. E i risultati di questo studio sono stati anche pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
I cristalli bidimensionali – o 2D – con proprietà semiconduttrici stanno attirando un grande interesse per il loro possibile utilizzo nella fabbricazione di dispositivi elettronici e optoelettronici innovativi, nonché di nanostrutture facilmente ingegnerizzabili.
Questi nuovi materiali sono caratterizzati da una struttura stratificata, analoga alla grafite, che consente di isolare singoli strati di spessore ridottissimo, inferiore al miliardesimo di metro. In virtù di effetti quantistici, questi materiali sono in grado di emettere luce in modo sorprendentemente efficiente. Unita alle loro ottime proprietà di resistenza e flessibilità meccanica, questa capacità rende i semiconduttori 2D particolarmente adatti per la realizzazione di laser e celle solari flessibili e ad alta efficienza.
La corsa ai materiali del futuro
“Il meccanismo sperimentato – spiegano i ricercatori – sfrutta l’irraggiamento con protoni di bassa energia di questi materiali, ancora nella loro forma tridimensionale. I protoni attraversano solo lo strato superficiale e, a contatto con la matrice cristallina, si trasformano in molecole di idrogeno. Questa reazione ha luogo appena un milionesimo di millimetro al di sotto della superficie del cristallo irraggiato, portando alla formazione di bolle di idrogeno con pressioni di centinaia di atmosfere”.
Le bolle di idrogeno causano quindi “il sollevamento localizzato di un solo piano cristallino; la superficie dei campioni irraggiati diviene così costellata da minuscole ‘cupole’ piene di idrogeno, di spessore atomico e capaci di emettere luce”.
Lo sviluppo di questi studi coinvolge la fisica della materia condensata, la scienza dei materiali, l’elettrochimica, le nanotecnologie, l’ottica e l’ingegneria meccanica.
