Gli scienziati dei materiali dell’Università del Minnesota hanno scoperto un nuovo metodo per creare e controllare con precisione i “difetti” microscopici all’interno dei materiali ultrasottili. Queste imperfezioni interne, formalmente note come difetti estesi, offrono un percorso promettente per dotare i nanomateriali di prossima generazione di proprietà senza precedenti, innescando potenzialmente progressi significativi nella nanotecnologia.
Comprendere i difetti estesi
I difetti estesi sono interruzioni nella struttura cristallina di un materiale che si estendono su un’area relativamente ampia, a differenza dei difetti puntuali che colpiscono i singoli atomi. Pensa a un reticolo cristallino incontaminato come a una griglia di elementi costitutivi perfettamente disposti; un difetto esteso è come un’interruzione deliberata e posizionata con cura in quella griglia. L’aspetto unico di questi difetti è che occupano un piccolo volume influenzando in modo significativo le proprietà del materiale circostante.
Ottenere un controllo senza precedenti
La ricerca, pubblicata su Nature Communications, ha dimostrato la capacità di progettare regioni all’interno del materiale con densità di questi difetti estesi fino a 1.000 volte maggiori rispetto alle aree senza pattern. Questo livello di controllo è fondamentale perché consente ai ricercatori di personalizzare le proprietà dei materiali in zone specifiche.
“Questi difetti estesi sono interessanti perché si estendono su tutto il materiale ma occupano un volume molto piccolo”, spiega Andre Mkhoyan, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell’Università del Minnesota e autore senior dello studio. “Controllando attentamente queste minuscole caratteristiche, possiamo sfruttare le proprietà sia del difetto che del materiale circostante.”
La tecnica: creazione di difetti modellati
La svolta del team risiede in un nuovo approccio alla progettazione dei materiali. Hanno scoperto che creando minuscoli modelli che inducevano difetti sulla superficie prima della crescita del film sottile, potevano controllare con precisione la densità e il tipo di difetti estesi.
“Abbiamo escogitato un nuovo modo di progettare i materiali creando minuscoli motivi che inducono difetti sulla superficie del substrato prima di farvi crescere sopra una pellicola sottile”, ha affermato Supriya Ghosh, uno studente laureato del Mkhoyan Lab e primo autore dell’articolo.
Questa tecnica consente la creazione di materiali con proprietà drasticamente diverse in diverse sezioni. Concentrando i difetti lungo lo spessore del materiale, i ricercatori possono generare nuove pellicole in cui i modelli di dimensioni nanometriche sono in gran parte dettati da questi difetti. Ciò potrebbe portare a cambiamenti radicali nel comportamento dei materiali.
Implicazioni più ampie e applicazioni future
Mentre lo studio iniziale si concentrava sugli ossidi di perovskite – una classe di materiali sempre più utilizzati nelle celle solari e in altre applicazioni – i ricercatori ritengono che questo metodo sia adattabile a vari tipi di materiali sottili. I potenziali benefici sono di vasta portata. Apre la strada verso lo sviluppo di dispositivi elettronici che sfruttano le proprietà uniche conferite da questi difetti controllati.
Il gruppo di ricerca comprendeva Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol e Bharat Jalan, tutti del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali, insieme a Fengdeng Liu del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica.
In sostanza, questa ricerca dimostra che l’introduzione strategica di imperfezioni può sbloccare funzionalità completamente nuove nei nanomateriali, aprendo la strada a una nuova era nella progettazione dei materiali.
Questo approccio innovativo all’ingegneria dei materiali potrebbe rivoluzionare la nanotecnologia offrendo un metodo preciso e versatile per creare materiali con proprietà personalizzate su scala nanometrica
