Gli ioni sono uno strumento essenziale nella produzione di chip, ma questi atomi caricati elettricamente possono anche essere usati per produrre nano-setacci con pori omogeneamente distribuiti. Un numero particolarmente elevato di elettroni, però, devono essere rimossi dagli atomi per questo scopo. Tali ioni altamente carichi o perdono una quantità sorprendentemente grande di energia o quasi nessuna energia mentre passano attraverso una membrana che misura solo un nanometro di spessore. I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e della Vienna University of Technology (TU Wien) riferiscono sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica che questa scoperta è un passo importante verso lo sviluppo di nuovi tipi di componenti elettronici fatti di grafene.

Sebbene gli ioni altamente carichi causino danni solo su un'area molto limitata della superficie di un materiale, lo fanno in modo estremamente efficiente. Questo li rende uno strumento ideale per compiti speciali, come la perforazione di pellicole ultrasottili di carbonio che misurano solo un nanometro di spessore (un nanometro =un milionesimo di millimetro). Il risultato è un nanosetaccio tecnologicamente utilizzabile che potrebbe, Per esempio, separare i diversi gas.

"Il materiale di bombardamento con ioni può essere paragonato a palle da biliardo che colpiscono, "secondo Richard Wilhelm, dottorando presso l'HZDR. "Un giocatore professionista sa esattamente con quale angolo deve colpire la palla per avere successo durante il suo turno. In tal modo, il giocatore calcola anche l'energia che deve essere trasmessa da una palla a una o più delle altre palle." Gli ioni si comportano in modo simile quando si scontrano con gli atomi nel materiale. Gli ioni rallentano gradualmente il loro percorso attraverso un gran numero di collisioni e perdere continuamente energia, come un proiettile che penetra nel tronco di un albero e poi vi si ferma.

Per un materiale ultrasottile costituito da pochi strati atomici, questa analogia, però, non è applicabile, come dimostrano gli entusiasmanti risultati degli ultimi esperimenti presso lo Ion Beam Center di HZDR. Wilhelm e i suoi colleghi di Dresda e Vienna hanno osservato per la prima volta in esperimenti che gli ioni altamente carichi o volavano attraverso una nanomebra praticamente inalterati, o ha perso un'incredibile quantità di energia nel farlo. In precedenza si era ipotizzato, però, che gli ioni perdono sempre la stessa quantità di energia in media.

Per vedere questo effetto appena scoperto, la membrana non può essere più spessa di un nanometro:la membrana di carbonio, appeso liberamente a un trasportino, è stato prodotto presso l'Università di Bielefeld. Inoltre, gli ioni devono avere una carica positiva elevata, il che significa che molti elettroni sono stati rimossi in anticipo. Sono stati utilizzati ioni xeno carichi di trenta volte. Quando gli ioni xeno colpiscono la membrana ultrasottile possono verificarsi due eventi diversi. Mentre uno ione può virtualmente passare senza ostacoli tra gli atomi di carbonio della nanomembrana, uno ione diverso potrebbe scontrarsi con uno degli atomi nel materiale. Durante una tale collisione, passa attraverso la nuvola di elettroni dell'atomo e risucchia gli elettroni caricati negativamente. Questa cattura di elettroni porta quasi alla neutralizzazione dello ione, determinando un notevole rallentamento. A seconda dell'angolo con cui lo ione continua a viaggiare dopo l'urto, la perdita di energia ammonta fino al dieci percento.

"I nostri esperimenti hanno dimostrato per la prima volta che la perdita di energia nel materiale dipende considerevolmente dallo stato di carica degli ioni. Sospettiamo una relazione generale, che non poteva essere osservato in precedenza con i consueti materiali più spessi e in stati di carica ionica inferiori, " spiega il dottorando HZDR Wilhelm.

Grafene la "Materia Miracolosa"

I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e della Vienna University of Technology (TU Wien) vorrebbero lavorare con il promettente materiale del grafene come prossimo passo. Il grafene è carbonio che è spesso solo uno strato atomico. Possiede proprietà quasi esotiche, come l'estrema durata mentre è anche trasparente e un metallo. "Molti gruppi in tutto il mondo stanno lavorando con il grafene in questo momento, ma solo pochissimi stanno incorporando atomi estranei nel materiale bidimensionale. Se questo potesse essere fatto di routine utilizzando l'impianto ionico, potrebbe portare a nuovi componenti elettronici con capacità inaspettate, " spiega Richard Wilhelm. All'interno dello Ion Beam Center dell'HZDR, sono disponibili molte altre strutture per la generazione di ioni altamente carichi per esperimenti con il grafene. Il TU Vienna, un partner di ricerca a lungo termine, è di nuovo attivamente a bordo.