Il nitruro di gallio (GaN) e l'ossido di zinco (ZnO) sono tra i materiali semiconduttori tecnologicamente più rilevanti. Il nitruro di gallio è oggi onnipresente negli elementi optoelettronici come i laser blu (da cui il disco a raggi blu) e i diodi emettitori di luce (LED); l'ossido di zinco trova anche molti usi nell'optoelettronica e nei sensori.
Negli ultimi anni, anche se, le nanostrutture realizzate con questi materiali hanno mostrato una pletora di potenziali funzionalità, che vanno da laser e LED a singolo nanofilo a dispositivi più complessi come risonatori e, più recentemente, nanogeneratori che convertono l'energia meccanica dall'ambiente (movimenti del corpo, ad esempio) per alimentare dispositivi elettronici. Quest'ultima applicazione si basa sul fatto che GaN e ZnO sono anche materiali piezoelettrici, nel senso che producono cariche elettriche quando vengono deformate.
In un articolo pubblicato online sulla rivista Nano lettere , Horacio Espinosa, James N. e Nancy J. Farley Professor in Manufacturing and Entrepreneurship presso la McCormick School of Engineering and Applied Science presso la Northwestern University, e Ravi Agrawal, uno studente laureato nel laboratorio di Espinosa, ha riferito che la piezoelettricità nei nanofili di GaN e ZnO è infatti aumentata di ben due ordini di grandezza al diminuire del diametro dei nanofili.
"Questa scoperta è molto eccitante perché suggerisce che la costruzione di nanogeneratori, sensori e altri dispositivi da nanofili più piccoli miglioreranno notevolmente la loro uscita e sensibilità, " disse Espinosa.
"Abbiamo utilizzato un metodo computazionale chiamato Density Functional Theory (DFT) per modellare nanofili di GaN e ZnO di diametri che vanno da 0,6 nanometri a 2,4 nanometri, " ha detto Agrawal. Il metodo computazionale è in grado di prevedere la distribuzione elettronica dei nanofili man mano che vengono deformati e, perciò, permette di calcolare i loro coefficienti piezoelettrici.
I risultati dei ricercatori mostrano che il coefficiente piezoelettrico nei nanofili di 2,4 nanometri di diametro è circa 20 volte più grande e circa 100 volte più grande per i nanofili di ZnO e GaN, rispettivamente, rispetto al coefficiente dei materiali alla macroscala. Ciò conferma i precedenti risultati computazionali sulle nanostrutture di ZnO che hanno mostrato un aumento simile nelle proprietà piezoelettriche. Però, i calcoli per la piezoelettricità dei nanofili di GaN in funzione delle dimensioni sono stati effettuati in questo lavoro per la prima volta, e i risultati sono chiaramente più promettenti poiché il GaN mostra un aumento più evidente.
"I nostri calcoli rivelano che l'aumento del coefficiente piezoelettrico è il risultato della ridistribuzione degli elettroni nella superficie del nanofilo, che porta ad un aumento della polarizzazione ceppo-dipendente rispetto ai materiali sfusi, " disse Espinosa.
I risultati di Espinosa e Agrawal potrebbero avere importanti implicazioni per il campo della raccolta di energia e per la scienza fondamentale. Per la raccolta di energia, dove gli elementi piezoelettrici vengono utilizzati per convertire l'energia meccanica in elettrica per alimentare dispositivi elettronici, questi risultati indicano un vantaggio nel ridurre le dimensioni degli elementi piezoelettrici fino alla scala nanometrica. I dispositivi per la raccolta dell'energia costruiti con nanocavi di piccolo diametro dovrebbero in linea di principio essere in grado di produrre più energia elettrica dalla stessa quantità di energia meccanica rispetto ai loro omologhi di massa.
In termini di scienza fondamentale, questi risultati ulteriormente precedenti conclusioni che la materia su scala nanometrica ha proprietà diverse. È chiaro ora che adattando le dimensioni delle nanostrutture, la loro meccanica, anche le proprietà elettriche e termiche possono essere regolate.
"Il nostro focus rimane sulla comprensione dei principi fondamentali che governano il comportamento delle nanostrutture in funzione delle loro dimensioni, " Dicono Espinosa e Agrawal. "Una delle questioni più importanti che deve essere affrontata è quella di ottenere una conferma sperimentale di questi risultati, e stabilire fino a che dimensione gli effetti piezoelettrici giganti rimangono significativi."
Espinosa e Agrawal sperano che il loro lavoro stimolerà un nuovo interesse per le proprietà elettromeccaniche delle nanostrutture, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, al fine di aprire la strada alla progettazione e all'ottimizzazione dei futuri dispositivi su scala nanometrica.
