Per molti anni, un team di ricercatori dell'Università del Texas a Dallas ha studiato vari materiali alla ricerca di quelli le cui proprietà elettriche potrebbero renderli adatti a piccoli, transistor ad alta efficienza energetica per alimentare dispositivi elettronici di prossima generazione.

Recentemente hanno trovato uno di questi materiali, ma non era niente che nessuno si aspettasse.

In un articolo pubblicato online il 10 marzo sulla rivista Materiale avanzato , Il Dr. Moon Kim e i suoi colleghi descrivono un materiale che, quando riscaldato a circa 450 gradi Celsius, si trasforma da un atomicamente sottile, foglio bidimensionale in una matrice di nanofili unidimensionali, ciascuno largo pochi atomi.

Un'immagine catturata a metà trasformazione sembra una minuscola bandiera degli Stati Uniti, e con l'aggiunta di falsi colori, è probabilmente l'immagine più piccola al mondo di Old Glory, ha detto Kim.

"La transizione di fase che abbiamo osservato, questa nuova struttura, non era previsto dalla teoria, " ha detto Kim, il Louis Beecherl Jr. Distinguished Professor di scienza dei materiali e ingegneria a UT Dallas.

Poiché i nanofili sono semiconduttori, potrebbero essere usati come dispositivi di commutazione, proprio come il silicio viene utilizzato nei transistor di oggi per accendere e spegnere la corrente elettrica nei dispositivi elettronici.

"Questi nanofili sono circa 10 volte più piccoli dei più piccoli fili di silicio, e, se utilizzato nella tecnologia futura, comporterebbe potenti dispositivi ad alta efficienza energetica, " ha detto Kim. Gli autori principali dello studio sono Hui Zhu e Qingxiao Wang, studenti laureati in scienze e ingegneria dei materiali presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Solo una fase?

Quando alcuni materiali sono soggetti a cambiamenti nelle condizioni esterne, come temperatura o pressione, possono subire una transizione di fase. Un esempio familiare è quando l'acqua liquida viene raffreddata per formare un solido (ghiaccio), o riscaldato per formare un gas (vapore).

Per molti materiali, però, una transizione di fase significa qualcosa di leggermente diverso. Al variare della temperatura e della pressione esterne, gli atomi di questi materiali si ridistribuiscono e si ridistribuiscono per creare un materiale con una struttura e una composizione diverse. Questi cambiamenti possono influenzare le proprietà del nuovo materiale, come il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso di esso. Per gli scienziati interessati a nuove applicazioni dei materiali, comprendere tali transizioni è fondamentale.

Nella maggior parte dei casi, un tipo di grafico chiamato diagramma di fase aiuta i ricercatori a prevedere i cambiamenti strutturali e di proprietà in un materiale quando subisce una transizione di fase.

Ma nulla ha predetto ciò che il team di Kim ha osservato mentre conduceva esperimenti su un materiale chiamato ditelluride di molibdeno.

Nanobandiere e Nanofiori

Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione, i ricercatori hanno iniziato con atomicamente sottili, fogli bidimensionali di ditelluride di molibdeno, un materiale costituito da uno strato di atomi di molibdeno e due strati di atomi di tellurio. Il materiale appartiene a una classe chiamata dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), che mostrano la promessa nella sostituzione del silicio nei transistor.

"Volevamo capire la stabilità termica di questo particolare materiale, " ha detto Kim. "Abbiamo pensato che fosse un buon candidato per la nanoelettronica di prossima generazione. Per curiosità, abbiamo deciso di vedere se sarebbe stato stabile al di sopra della temperatura ambiente."

Quando hanno aumentato la temperatura oltre i 450 gradi Celsius, sono successe due cose.

"Primo, abbiamo visto emergere un nuovo modello che era esteticamente gradevole alla vista, " disse Kim. Sulla superficie del campione, le righe ripetute, o strisce, di strati di ditelluride di molibdeno cominciarono a trasformarsi in forme che sembravano minuscole stelle a sei punte, o fiori con sei petali.

Il materiale si stava trasformando in esa-molibdeno esa-telluride, una struttura a filo unidimensionale. La sezione trasversale del nuovo materiale è una struttura costituita da sei atomi centrali di molibdeno circondati da sei atomi di tellurio.

Con il progredire della fase di transizione, parte del campione era ancora "strisce" e parte era diventata "stelle". Il team pensava che lo schema assomigliasse a una bandiera degli Stati Uniti. Hanno realizzato una versione a falsi colori con un campo blu dietro le stelle e metà delle strisce colorate di rosso, per creare una "nanobandiera".

Non nei libri di testo

"Quindi, quando abbiamo esaminato il materiale più da vicino, abbiamo scoperto che la transizione che stavamo vedendo da "strisce" a "stelle" non era in nessuno dei diagrammi di fase, " Kim ha detto. "Normalmente, quando riscaldi particolari materiali, ti aspetti di vedere emergere un diverso tipo di materiale come previsto da un diagramma di fase. Ma in questo caso, è successo qualcosa di insolito, ha formato una fase completamente nuova."

Ogni singolo nanofilo è un semiconduttore, il che significa che la corrente elettrica che si muove attraverso il filo può essere accesa e spenta, ha detto Kim. Quando molti dei singoli nanofili sono raggruppati insieme si comportano più come un metallo, che conduce facilmente corrente.

"Vorremmo usare i nanofili uno alla volta perché stiamo riducendo il più possibile le dimensioni di un transistor, " Kim ha detto. "Attualmente, la dimensione del transistor più piccola è circa 10 volte più grande del nostro nanofilo. Ognuno dei nostri è più piccolo di 1 nanometro di diametro, che è essenzialmente un filo su scala atomica.

"Prima di poter utilizzare questa scoperta e realizzare un dispositivo reale, abbiamo molti altri studi da fare, compresa la determinazione di come separare i singoli nanofili, e superare le sfide tecniche per la produzione e la produzione di massa, " Kim ha detto. "Ma questo è un inizio."