Design dei materiali su piccola scala

Ralph Spolenak chiarisce subito un'idea sbagliata: Nel mondo dei materiali nanometrici, più piccolo non è sempre meglio. Oltre un certo livello di piccolezza, gli effetti negativi possono predominare. Il responsabile del Laboratorio di Nanometallurgia dell'ETH di Zurigo e il suo team stanno quindi cercando la scala di lunghezza ottimale per i materiali in cui le loro proprietà migliorano prima di deteriorarsi nuovamente. Poiché questa scala di lunghezza è spesso, ma non sempre, nella gamma dei nano, cioè meno di 100 nanometri, il professore preferisce il termine "piccolo" piuttosto che "nano". Il suo obiettivo: "Ottenere un vantaggio su piccola scala".

L'effetto che si verifica quando i materiali vengono ridotti di dimensioni è inizialmente contrario al senso comune. Immaginate di assottigliare uno spesso strato di rame fino a 20 nanometri, per poi farlo diventare dieci volte più resistente. Com'è possibile?

Nel blocco di rame spesso, spiega Ralph Spolenak, i difetti del materiale possono muoversi come le pieghe di un tappeto. Si muovono attraverso lo strato di rame, per così dire, rendendolo più morbido. Nello strato sottile come un nanometro, invece, le superfici di confine sono così vicine che i difetti non possono più "migrare" e la resistenza aumenta. A seconda delle proprietà che un materiale deve avere, i ricercatori possono utilizzare deliberatamente i difetti o impedirne la diffusione - in altre parole, rendere un materiale più morbido o più forte. Ma solo fino a un certo limite: a un certo punto, per esempio, il solido diventa fragile e il materiale cede.

Il germanio diventa compatibile con il laser

Un esempio della loro attuale ricerca mostra come Spolenak e il suo team stiano "sperimentando" i difetti e i limiti dei materiali su scala nanometrica. Insieme ad altri l'ETH e a ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) e del Politecnico di Milano, sono riusciti a rendere il germanio, un semiconduttore non adatto ai laser, adatto ai laser. In futuro, ciò potrebbe consentire alle parti di un microprocessore di comunicare con la luce, rendendo i computer più veloci e potenti.

A differenza dell'elettricità e dei cavi di rame, la luce può trasmettere segnali molto più velocemente. Poiché il silicio, il materiale di base di tutti i chip per computer, non è adatto alla costruzione di laser, gli scienziati si stanno concentrando sul germanio, soprattutto perché è altamente compatibile con il silicio. "Se si rimpiccioliscono i metalli, la resistenza specifica aumenta, riducendo la velocità con cui le informazioni possono essere trasmesse tramite segnali elettrici. Questo effetto rappresenta un limite alla miniaturizzazione che può essere risolto con la trasmissione ottica dei segnali", spiega Ralph Spolenak.

Affinché il germanio possa essere utilizzato, è necessaria una speciale configurazione di elettroni. Per ottenere questo risultato è necessario esporre il germanio a uno stress di trazione, cioè allungarlo per ottenere fotoni (particelle di luce) dal semiconduttore. Lo stiramento provoca l'allontanamento degli atomi che compongono il metallo. Di conseguenza, gli elettroni, sponsor della carica elettrica, possono muoversi più liberamente e raggiungere livelli energetici favorevoli alla creazione di fotoni.

Anche con un allungamento del 3%, il germanio emette circa 25 volte più fotoni rispetto allo stato rilassato. "? quasi sufficiente per costruire un laser", dice Spolenak. Il tre per cento non sembra molto. Ma se si trasferiscono le dimensioni nanometriche al mondo macro, questa tensione di trazione corrisponde alla forza che agisce su una matita quando due camion la tirano in direzioni opposte. In questo caso, le elevate deformazioni elastiche necessarie sono possibili solo con materiali quasi privi di difetti.

Materiale per un sorriso radioso

Il ricercatore di materiali del Fare all'ETH sta conducendo ricerche anche in settori completamente diversi, come gli impianti dentali. L'obiettivo è sviluppare un rivestimento per la sottostruttura metallica che si trova tra la vite in titanio e la corona. Questo rivestimento è molto scuro e traspare quando la densità ossea è bassa o le gengive sono sottili, oppure forma un bordo nero quando le gengive si ritirano.

Per risolvere questo problema estetico, Spolenak e il suo team hanno combinato diversi strati di materiali ceramici speciali che sono abbastanza spessi da coprire l'oscurità, ma allo stesso tempo abbastanza sottili da sfruttare il già citato effetto scala - in altre parole, il fatto che rimpicciolire un materiale lo rende più forte.

Quando progettano nuovi materiali, i ricercatori guardano spesso alla natura come fonte di ispirazione. La madreperla, ad esempio, è un modello di formazione preliminare. Sebbene sia composta per il 97% da materiali molto fragili e rigidi, le conchiglie stesse sono circa 3000 volte più resistenti alla rottura rispetto al carbonato di calcio minerale in esse contenuto.

Il merito è di una speciale combinazione di dimensioni e forma. Le scaglie minerali non solo hanno uno spessore molto specifico di poche decine di nanometri, ma sono anche allineate in una struttura molto particolare. L'insieme di questi due fattori rende i gusci estremamente resistenti e determina proprietà ottiche interessanti, utilizzate anche nell'impianto "bianco".

Spolenak e il suo team sono alla ricerca di combinazioni ideali di dimensioni e forme anche nel mondo tecnico. Tuttavia, rispetto alla natura, i materiali tecnici sono solitamente costituiti da un gran numero di componenti, il che rende la ricerca più difficile. Inoltre, i materiali in natura sono più forti proprio dove le sollecitazioni sono maggiori.

Per poter utilizzare i materiali in modo così efficiente, i ricercatori dell'ETH lavorano anche sulla loro composizione individuale. Ad esempio, quando si tratta di sviluppare la giusta combinazione di materiali per il motore di un'automobile.

Uso mirato degli elementi

"Se voglio fare una lega per questo, ho bisogno di elementi che sono forse rari sul nostro pianeta e molto costosi. Se dovessi usare questi elementi solo dove ci sono le maggiori sollecitazioni, potrei risparmiare molto denaro e materiale, oltre a conservare le risorse e quindi risparmiare energia".
proteggere il nostro ambiente".

Per Ralph Spolenak una cosa è chiara: in futuro i confini tra i diversi materiali scompariranno sempre più. I materiali di domani saranno costituiti da un'ampia varietà di componenti e combineranno proprietà localmente diverse: meccaniche ed elettroniche, come nel caso dei semiconduttori, o meccaniche e ottiche, come nel caso degli impianti.

"Il potenziale nel settore dei materiali è enorme e strettamente legato ai progressi nelle nanotecnologie", è convinto il professore. E così "il piccolo" probabilmente non lascerà andare Ralph Spolenak tanto presto.