Una membrana d'oro svela i segreti delle superfici

"La superficie è stata fatta dal diavolo": questa frase è attribuita al fisico teorico Wolfang Pauli, che ha insegnato per molti anni all'ETH di Zurigo e ha ricevuto il Premio Nobel nel 1945 per il suo lavoro sulla meccanica quantistica. I ricercatori hanno effettivamente delle difficoltà con le superfici. Da un lato, sono molto importanti sia nella natura animata che in quella inanimata, ma dall'altro è talvolta diabolicamente difficile studiarle con i metodi di rilevazione convenzionali.

Ora un team interdisciplinare di scienziati dei materiali e ingegneri elettrici guidato da Lukas Novotny, professore di fotonica all'ETH di Zurigo, insieme a colleghi della Humboldt-Universit?t zu Berlin, ha sviluppato un metodo che renderà molto più facile la caratterizzazione delle superfici in futuro. I risultati del loro lavoro, che si basa sull'uso di una membrana d'oro sottilissima, sono stati recentemente pubblicati sulla rivista scientifica pagina esternaComunicazioni su Nature pubblicato.

Superfici importanti per la funzionalità

"Che si tratti di convertitori catalitici, celle solari o batterie, le superfici sono sempre estremamente importanti per la loro funzionalità", spiega Roman Wyss, dottorando in Scienze ed ingegneria dei materiali e primo autore dello studio, che ora fa ricerca all'ETH, la start-up Enantios. Questa rilevanza deriva dal fatto che i processi importanti avvengono solitamente alle interfacce. Nel caso dei catalizzatori, si tratta delle reazioni chimiche che vengono accelerate sulle loro superfici. Per le batterie, invece, le proprietà superficiali degli elettrodi sono decisive per la loro efficienza e il loro comportamento a lungo termine.

Per l'indagine non distruttiva delle proprietà dei materiali, ossia senza danneggiarli, i ricercatori utilizzano da molti anni la spettroscopia Raman. Un raggio laser viene diretto sul materiale e la luce riflessa viene analizzata. Le proprietà della luce riflessa, il cui spettro di frequenza è stato alterato dalle vibrazioni delle molecole del materiale, possono essere utilizzate per trarre conclusioni sulla composizione chimica dell'oggetto analizzato - la cosiddetta impronta digitale chimica - e per rilevare effetti meccanici come le sollecitazioni.

Membrana d'oro con minuscoli pori

"Questo metodo è molto potente, ma può essere applicato alle superfici solo in misura limitata", afferma Sebastian Heeg, che ha partecipato agli esperimenti come ricercatore post-dottorando con Lukas Novotny e ora dirige un gruppo di ricerca junior alla Humboldt-Universit?t. Poiché durante la spettroscopia Raman la luce laser penetra nel materiale a pochi micrometri di profondità, lo spettro di frequenza è influenzato principalmente dall'interno del materiale e solo in minima parte dalla superficie, che ha uno spessore di pochi strati atomici.

Per rendere la spettroscopia Raman utilizzabile per le superfici, i ricercatori dell'ETH hanno sviluppato una speciale membrana d'oro spessa solo 20 nanometri e contenente pori allungati di circa cento nanometri. Se una membrana di questo tipo viene applicata a una superficie da analizzare, accadono due cose: in primo luogo, la membrana impedisce al raggio laser di penetrare all'interno del materiale. D'altra parte, la luce laser si concentra nei punti in cui si trovano i pori della membrana d'oro e viene emessa solo a pochi nanometri di profondità nella superficie.

Amplificazione del segnale mille volte superiore

"I pori agiscono come cosiddette antenne plasmoniche, molto simili all'antenna di un telefono cellulare", spiega Heeg. L'effetto antenna amplifica il segnale Raman della superficie del materiale fino a mille volte rispetto al segnale della spettroscopia Raman convenzionale senza membrana. Heeg e i suoi colleghi sono stati in grado di dimostrarlo utilizzando l'esempio del silicio teso e del cristallo di perovskite ossido di lantanio e nichel (LaNiO₃) dimostrano in modo impressionante.

La deformazione del silicio è importante per le applicazioni nelle tecnologie quantistiche, ma finora non poteva essere analizzata con la spettroscopia Raman perché il segnale generato dalla superficie veniva annegato dal rumore di fondo della misurazione. Dopo l'applicazione della membrana d'oro, il segnale di deformazione è stato selettivamente potenziato a tal punto da poter essere chiaramente distinto dagli altri segnali Raman del materiale.

La perovskite metallica ossido di lantanio e nichel è un materiale importante per la produzione di elettrodi. "Il forte legame tra la sua struttura cristallina e la conducibilità elettrica permette di controllare la conducibilità modificando lo spessore dell'elettrodo nell'ordine dei nanometri. Si presume che la struttura superficiale svolga un ruolo essenziale in questo senso", afferma Mads Weber, ex postdoc presso l'ETH di Zurigo e ora professore assistente presso l'Università di Le Mans, che si occupa di questa classe di materiali ed è stato coinvolto nello studio. Grazie al nuovo metodo delle membrane d'oro, i ricercatori sono riusciti a comprendere per la prima volta la struttura superficiale dell'ossido di nichel lantanio.

"Il nostro approccio è interessante anche in termini di sostenibilità, in quanto fornisce ai dispositivi Raman esistenti capacità completamente nuove senza grandi sforzi", afferma Heeg. In futuro, i ricercatori intendono migliorare ulteriormente il loro metodo e adattarlo alle esigenze degli utenti. Ad esempio, attualmente i pori della membrana d'oro hanno dimensioni diverse e sono disposti in modo irregolare. Producendo membrane con pori paralleli della stessa dimensione, il metodo potrebbe essere ottimizzato per determinati materiali, aumentando così la potenza del segnale Raman di cento volte.