Cosa succede quando gli ioni passano attraverso materiali solidi? È quasi impossibile osservarlo direttamente, ma gli scienziati della TU Wien hanno trovato un modo per superare questo problema.

Alla TU Wien vengono prodotti stati atomici molto insoliti:gli ioni vengono creati rimuovendo non solo uno, ma da 20 a 40 elettroni da ciascun atomo. Questi "ioni altamente carichi" svolgono un ruolo importante nella ricerca attuale.

Per molto tempo, le persone hanno studiato cosa succede quando ioni così altamente carichi colpiscono materiali solidi. Questo è importante per molte aree di applicazione nella ricerca sui materiali. Pertanto è fondamentale sapere come cambia lo stato di carica degli ioni quando penetrano in un materiale, ma questo è esattamente ciò che è stato impossibile osservare direttamente fino ad ora. Nuove misurazioni alla TU Wien (Vienna) mostrano che gli ioni obbediscono a leggi notevolmente semplici.

Materiali da sondare strato per strato

Quando ioni altamente carichi penetrano in un materiale solido, possono recuperare gli elettroni mancanti dal materiale e diventare così elettricamente neutri. Ma come e dove questo accade esattamente è difficile da indagare, perché avviene all'interno del materiale.

"Sapevamo che questo processo doveva essere molto veloce, perché anche uno strato di materiale abbastanza sottile è sufficiente per neutralizzare completamente gli ioni, "dice Anna Niggas, primo autore del presente studio. Attualmente sta lavorando alla sua tesi nel gruppo del Prof. Richard Wilhelm presso l'Institute of Applied Physics della TU Wien.

Osservare visivamente i processi all'interno del materiale può essere quasi impossibile, ma nuovi materiali 2D come il grafene, che consiste in un solo strato di atomi di carbonio, ora danno agli scienziati la possibilità di andare a fondo di questi fenomeni per la prima volta:"Gli strati di grafene possono essere impilati uno sopra l'altro, in modo da creare campioni sempre più spessi:puoi assemblare un corpo solido strato per strato, " dice Richard Wilhelm. "Abbiamo studiato singolo, strati doppi e tripli di grafene. Quel modo, possiamo vedere passo dopo passo, strato atomico per strato atomico, come cambiano gli ioni altamente carichi."

In questo modo, puoi studiare una transizione, da un singolo strato atomico a un normale materiale tridimensionale. Grafite, il materiale di cui sono fatte le mina delle matite, non è altro che un gran numero di strati di grafene impilati uno sopra l'altro.

È il tempo che conta

Gli ioni attraversano i diversi strati di carbonio a velocità diverse. Si scopre che il fattore decisivo è il tempo che il proiettile trascorre nelle immediate vicinanze degli strati atomici. "Se teniamo conto del fatto che gli ioni trascorrono due o tre volte il tempo a contatto con gli atomi di carbonio nel loro percorso attraverso due o tre strati di grafene rispetto a un singolo strato di grafene, allora si può spiegare con una semplice formula quanto velocemente gli ioni catturano gli elettroni e cambiano il loro stato di carica, " spiega Anna Niggas. "Con i nostri risultati, ora possiamo calcolare per la prima volta quanti strati atomici sono necessari fino a quando gli ioni sono elettricamente neutri".

Dinamiche di grande significato

Per studiare la dinamica della cattura elettronica, bisogna prima preparare i campioni con molta attenzione. Il Dr. Bernhard C. Bayer dell'Institute of Materials Chemistry presso TU Wien è riuscito a caratterizzare con precisione gli strati atomici utilizzando la microscopia ad alta risoluzione, una grande sfida quando è disponibile solo pochissimo materiale per l'indagine negli strati atomicamente sottili.

Le nuove scoperte sono importanti per molte aree di ricerca:da un lato, in questo modo si possono studiare fenomeni molto fondamentali, difficilmente accessibili con altri metodi. D'altra parte, l'interazione tra ioni e materiali solidi è importante anche per applicazioni molto pratiche, ad esempio nell'analisi dei materiali, dove gli ioni vengono utilizzati per studiare in dettaglio le proprietà di nuovi tipi di materiali, o nella tecnologia dei semiconduttori, dove i fasci di ioni sono usati per strutturare i circuiti.