Un team di ricerca del Worcester Polytechnic Institute (WPI) ha sviluppato un rivoluzionario, materiale nanocomposito semiconduttore attivato dalla luce che può essere utilizzato in una varietà di applicazioni, compresi attuatori microscopici e pinze per robot chirurgici, microspecchi luminosi per sistemi di telecomunicazione ottica, e celle solari e fotorivelatori più efficienti.
"Questa è una nuova area della scienza, " disse Balaji Panchapakesan, professore associato di ingegneria meccanica presso WPI e autore principale di un articolo sul nuovo materiale pubblicato in Rapporti scientifici , una rivista ad accesso aperto degli editori di Natura . "Pochissimi materiali sono in grado di convertire i fotoni direttamente in movimento meccanico. In questo articolo, presentiamo il primo materiale nanocomposito semiconduttore noto per farlo. È un materiale affascinante che si distingue anche per la sua elevata resistenza e il suo maggiore assorbimento ottico quando sottoposto a sollecitazioni meccaniche.
"Piccole pinze e attuatori realizzati con questo materiale potrebbero essere utilizzati sui rover su Marte per catturare particelle di polvere fini". Panchapakesan ha notato. "Potrebbero viaggiare attraverso il flusso sanguigno su minuscoli robot per catturare cellule cancerose o prelevare piccoli campioni di tessuto. Il materiale potrebbe essere utilizzato per realizzare microattuatori per specchi rotanti nei sistemi di telecomunicazione ottici; opererebbero rigorosamente con la luce, e non richiederebbe altra fonte di alimentazione."
Come altri materiali semiconduttori, bisolfuro di molibdeno, il materiale descritto nel Rapporti scientifici carta ("Risposta meccanica cromatica in 2-D Layered Transition Metal Dichalcogenide (TMDs)-based Nanocomposites"), è caratterizzato dal modo in cui gli elettroni sono disposti e si muovono all'interno dei suoi atomi. In particolare, gli elettroni nei semiconduttori sono in grado di spostarsi da un gruppo di orbitali esterni chiamato banda di valenza a un altro gruppo di orbitali noto come banda di conduzione solo quando adeguatamente eccitati da una fonte di energia, come un campo elettromagnetico oi fotoni in un raggio di luce. Attraversando il "band gap, "gli elettroni creano un flusso di elettricità, che è il principio che rende possibili i chip per computer e le celle solari.
Quando gli elettroni carichi negativamente si muovono tra gli orbitali, lasciano dietro di sé vuoti carichi positivamente noti come buchi. Una coppia di un elettrone legato e una lacuna elettronica è chiamata eccitone.
Nei loro esperimenti, Panchapakesan e la sua squadra, che includeva gli studenti laureati Vahid Rahneshin e Farhad Khosravi, così come i colleghi dell'Università di Louisville e dell'Università di Varsavia Pasteura, osservato che gli orbitali atomici degli atomi di molibdeno e di zolfo nel bisolfuro di molibdeno sono disposti in un modo unico che consente agli eccitoni all'interno della banda di conduzione di interagire con i cosiddetti orbitali p degli atomi di zolfo. Questa "risonanza eccitonica" contribuisce ai forti legami sigma che conferiscono all'array bidimensionale di atomi nel solfuro di molibdeno la sua straordinaria forza. La forza di questa risonanza è anche responsabile di un effetto unico che può generare calore all'interno del materiale. È il calore che dà origine alla risposta meccanica cromatica (indotta dalla luce) del materiale.
Per sfruttare il fenomeno successivo, Il team di Panchapakesan ha creato film sottili costituiti da uno o tre strati di bisolfuro di molibdeno racchiusi in strati di un polimero simile alla gomma. Hanno esposto questi nanocompositi a varie lunghezze d'onda della luce e hanno scoperto che il calore generato come risultato della risonanza degli eccitoni ha causato l'espansione e la contrazione del polimero, a seconda della lunghezza d'onda della luce utilizzata. Nei lavori precedenti, Il team di Panchapakesan ha sfruttato questa risposta fotomeccanica fabbricando minuscole pinze che si aprono e si chiudono in risposta agli impulsi luminosi. Le pinze possono catturare perline di plastica delle dimensioni di una singola cellula umana.
In ulteriori test, Panchapakesan e il suo team hanno scoperto un altro comportamento unico del composito di bisolfuro di molibdeno che apre le porte a un diverso insieme di applicazioni. Impiegando ciò che è noto come ingegneria delle deformazioni, hanno allungato il materiale e hanno scoperto che le sollecitazioni meccaniche aumentavano la sua capacità di assorbire la luce.
"Questo è qualcosa che non può essere fatto con i semiconduttori a film sottile convenzionali, " Panchapakesan ha detto, "perché quando li allunghi, si romperanno prematuramente. Ma con la sua forza materiale unica, il bisolfuro di molibdeno può essere allungato. E il suo maggiore assorbimento ottico sotto sforzo lo rende un buon candidato per celle solari più efficienti, fotorilevatori, e rilevatori per termocamere e infrarossi.
"La risonanza eccitonica, risposta fotomeccanica, e l'aumento dell'assorbimento ottico sotto sforzo ne fanno un materiale straordinario e un intrigante soggetto per ulteriori indagini, " Ha aggiunto.
