12:00 20 Ottobre 2020
Scienza e tech
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Scienziati russi e americani hanno dimostrato che i nano-aghi di diamante, se deformati, si possono trasformare da un isolante elettrico in un metallo conduttore, pur conservando tutte le altre proprietà. Questa scoperta porterà a nuove applicazioni tecnologiche per il materiale più duro in natura.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Proceedings della National Academy of Sciences in un articolo intitolato “La metallizzazione del diamante”.

I fisici della Skoltech (Istituto di Scienze e Tecnologia Skolkovo), insieme ai colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT), hanno dimostrato che una semplice piegatura di nano-aghi di diamante può trasformare un diamante da un isolante elettrico in un conduttore metallico a temperatura ambiente. Quando lo stress viene rilasciato, il materiale ritorna al suo stato originale.

Secondo i ricercatori, ciò consentirà in futuro di ottenere una regolazione controllata delle proprietà conduttive - dall'isolamento del semiconduttore all’alta conduzione del metallo – senza per altro degradare la qualità del materiale diamantato.

In primo luogo, gli autori hanno eseguito una simulazione al computer della deformazione reversibile dei nanoaghi di diamante e, sulla base dei risultati, hanno creato un algoritmo di apprendimento automatico per la scelta ottimale delle proprietà del materiale e del carico. Pertanto, hanno scoperto che con una certa geometria di nanoaghi monocristallini, anche una semplice curva può metallizzare efficacemente il diamante sotto deformazioni al di sotto dei livelli di distruzione o destabilizzazione della struttura atomica o transizione di fase alla grafite.

In altre parole, strutture formate da piccolissimi aghi di diamante, sottoposte a determinate pressioni, cambiano le loro proprietà di conduzione elettrica.

La deformazione di un materiale semiconduttore, era già stata utilizzata come metodo per migliorare le caratteristiche ad esempio del silicio, ed è in uso nell'industria della microelettronica da più di due decenni. Tuttavia, nel caso del silicio, stiamo parlando di una deformazione dell'ordine dell'uno percento.

Gli autori dell'attuale studio sono andati molto oltre: hanno dimostrato che è possibile modificare in modo significativo le proprietà elettriche, ottiche, termiche e di altro tipo dei materiali sottoponendoli a deformazioni meccaniche capaci di modificare la disposizione geometrica degli atomi nel cristallo del materiale, ma senza violare il reticolo cristallino stesso. In particolare, sono stati in grado di piegare ripetutamente i nano-aghi diamantati fino al 10% di deformazione a temperatura ambiente senza distruzione.

Per fare ciò, i ricercatori hanno studiato una proprietà del diamante nota come band gap che determina la facilità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso il materiale, il che caratterizza la sua conduttività elettrica.

Il diamante di solito ha un intervallo di banda molto ampio di circa 5,6 elettronvolt. È un forte isolante elettrico molto difficile da attraversare per gli elettroni. Tuttavia, i ricercatori teoricamente dimostrano che il band gap del diamante può essere modificato gradualmente, continuamente e in modo reversibile, fornendo un'ampia gamma di proprietà elettriche, dall'isolante al semiconduttore al metallo.

"Abbiamo scoperto che è possibile modificare continuamente il band gap da 5,6 elettronvolt a zero", ha detto uno degli autori dello studio, il professor Ju Li, in un comunicato stampa del MIT. "In altre parole, la deformazione può permettere al diamante di sostituire il silicio, ampiamente utilizzato nell'elettronica come semiconduttore, o il nitruro di gallio, che viene utilizzato per creare LED. Si potrebbe anche utilizzare il diamante per i rilevatori a infrarossi in grado di rilevare l'intera gamma di luce dalla parte infrarossa a quella ultravioletta dello spettro”, ha concluso Ju Li.

Secondo gli autori, la capacità di controllare la conduttività elettrica del diamante senza modificarne la composizione chimica e la stabilità del reticolo, offre una flessibilità senza precedenti per lo sviluppo di molti dispositivi elettronici fondamentalmente nuovi e applicazioni di rilevamento quantistico, come celle solari a banda larga, LED ad alte prestazioni e sensori quantistici.

Si prevedono quindi importanti sviluppi soprattutto nel campo dell’ottica quantistica, quella branca della fisica che studia l'interazione della luce con la materia e le radiazioni a livello di scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica.

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