Un tocco d'oro, o un altro metallo nobile, può cambiare la struttura di un cristallo e le sue proprietà intrinseche, i fisici dell'Università di Warwick hanno dimostrato in una dimostrazione di alchimia moderna.

Gli scienziati dell'Università di Warwick hanno trovato un modo per indurre effetti elettrici nei cristalli di cui non erano in grado in precedenza, come convertire il movimento o il calore in elettricità, semplicemente aggiungendo un pezzo di metallo alla loro superficie.

Il loro metodo è dettagliato in un nuovo articolo pubblicato oggi in Natura e dimostra che gli effetti possono essere di entità maggiore rispetto ai materiali ingombranti studiati convenzionalmente, rendendolo ideale per l'uso in tecnologie come sensori, conversione energetica e tecnologie mobili.

La chiave della tecnica sta nel rompere la simmetria della struttura del cristallo. Un cristallo può essere formato da un numero di atomi diversi, ma il termine descrive una struttura ordinata di particelle che formano uno schema simmetrico.

Professore Marino Alexe, co-autore principale del Dipartimento di Fisica dell'Università di Warwick, disse:"In fisica, quei materiali sono piuttosto noiosi. Dal punto di vista della funzionalità, la simmetria non è la cosa più grande che vuoi avere. Vuoi rompere la simmetria in modo tale da ottenere nuovi effetti".

Il cristallo può funzionare come un semiconduttore, permettendo a una corrente elettrica di fluire attraverso di essa. Aggiungendo un piccolo pezzo di metallo alla superficie del cristallo, gli scienziati hanno creato una giunzione nota come giunzione Schottky. Questo induce un campo elettrico nel semiconduttore che eccita la struttura a semiconduttore sotto il metallo, rompendo la sua simmetria e consentendo nuovi effetti che prima non erano possibili.

Gli effetti osservati dai ricercatori includevano un effetto piezoelettrico, in cui il movimento viene convertito in energia elettrica o viceversa; e un effetto piroelettrico, dove il calore viene convertito in energia elettrica. Queste proprietà sono note come effetti di interfaccia e sono confinate in una regione molto superficiale del cristallo, sotto i metalli.

Dott. Mingmin Yang, che ha condotto il lavoro presso l'Università di Warwick e da allora si è trasferito all'istituto RIKEN in Giappone, ha detto:"In genere, le proprietà di questi cristalli sono determinate da due fattori:le proprietà intrinseche degli elementi che compongono il cristallo, e come questi elementi sono disposti per formare quel cristallo, che chiamiamo la sua simmetria.

"La nostra ricerca sta dimostrando che il modo in cui questi elementi sono disposti non è determinato solo dalla loro stessa natura, possono anche essere sintonizzati da influenze esterne. Una volta che usiamo quell'influenza per cambiare la loro disposizione, possono esibire proprietà che prima erano loro proibite. "

I ricercatori hanno utilizzato i metalli nobili oro e platino per creare la loro giunzione grazie alla loro elevata funzione di lavoro termodinamico, ma rame, d'argento, oro, anche l'iridio o il platino sarebbero buone opzioni. Per i cristalli, Titanato di stronzio, Sono stati utilizzati biossido di titanio e silicio. Nessuno di questi materiali mostrerebbe normalmente un effetto piezoelettrico o piroelettrico.

Una volta che i materiali possiedono l'effetto piezoelettrico o piroelettrico, possono produrre elettricità quando subiscono una forza (nel caso dell'effetto piezoelettrico) o un cambiamento di temperatura (nel caso dell'effetto piroelettrico). Rilevando l'elettricità generata nei materiali, gli scienziati potrebbero confermare l'esistenza di questi effetti.

Gli effetti osservati danno alla tecnica un grande potenziale per l'uso in sensori, che richiedono un'elevata sensibilità, o nelle tecnologie basate sulla conversione dell'energia. Come effetto piezoelettrico, i cristalli possono raccogliere energia, o lavorare come attuatore o trasduttore. Con l'effetto piroelettrico, possono funzionare come un sensore o nell'imaging a infrarossi.

Inoltre, la piccola scala su cui si vede questo effetto e la sua elevata efficienza lo renderebbero ideale per l'uso nelle tecnologie mobili.

Nel lavoro precedente del team hanno esaminato i modi per rompere la simmetria con mezzi meccanici. Questo lavoro ha esaminato la possibilità di rompere la simmetria usando un campo elettrico

Il professor Alexe ha aggiunto:"I materiali con simmetria rotta sono ricchi di funzionalità. Per migliorare queste funzionalità, di solito è necessario modificare la struttura del materiale. Ciò richiede la distribuzione di complicati prodotti chimici allo stato solido seguiti da indagini dettagliate.

"Ora hai un percorso completamente diverso per modificare questi materiali e la capacità di regolare l'effetto, qualcosa che non siamo stati in grado di fare prima. Ciò apre il campo a molte altre possibilità con questi materiali e potremmo non sapere dove conducono".