Computer che entrano nelle nostre tasche, schermi televisivi non più spessi di una porta, e auto solo leggermente più grandi dei loro passeggeri, la tecnologia è sempre più piccola. Una delle ragioni principali di questa miniaturizzazione è lo sviluppo di risonatori di dimensioni nanometriche, che convertono piccoli livelli di potenza elettrica in oscillazioni meccaniche ad alte frequenze.

"I risonatori nanoelettromeccanici sono utilizzati in tutti i tipi di tecnologia moderna. Potresti non vederli, ma si possono trovare nella robotica, strumenti medici e sensori ambientali, ", afferma il professore dell'Università di Osaka Hidezaku Tanaka, chi sta sviluppando nuove nanotecnologie.

All'inizio di quest'anno, Tanaka e il suo team di ricerca hanno riportato un nanofilo indipendente che potrebbe ridurre la richiesta di energia dei nanorisonatori di un fattore cento.

"I metalli di transizione subiscono una transizione da isolante a metallo. Abbiamo realizzato nanofili indipendenti in biossido di vanadio (VO2) che hanno prestazioni elevate a bassa potenza".

La transizione di fase può avvenire iniettando energia elettrica nei cristalli VO2. Poiché la risposta meccanica alla potenza non è lineare, Tanaka ha dimostrato che bassi livelli di potenza senza precedenti potrebbero essere utilizzati per generare una risposta meccanica sproporzionatamente forte. Tanaka ha scoperto che il carattere indipendente del filo è fondamentale, altrimenti la non linearità e quindi l'efficienza energetica erano molto minori.

"Costruire il nanofilo indipendente non è stato facile. Gli ossidi di metallo sono molto rigidi e fragili. Potremmo fabbricare i nanofili facendoli crescere su ossido di magnesio (MgO) e poi incidendo lo strato di MgO".

Nella sua ultima pubblicazione, il team di collaborazione del gruppo Tanaka, Il gruppo del Professor Daniele Marré in Italia e il Dr. Nicola Manca nei Paesi Bassi si sono riuniti per determinare quanto semplice possa essere la costruzione di nano-risonatori utilizzando i suoi nanofili VO2 indipendenti. A causa delle proprietà elettromeccaniche dei cristalli VO2 e del suo design indipendente, i nanofili potrebbero generare oscillazioni meccaniche a frequenze MHz utilizzando nient'altro che una semplice fonte di alimentazione CC. Questa efficiente conversione dell'energia elettrica in lavoro meccanico riduce la necessità di dispositivi elettronici dedicati, consentendo così la creazione di sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) ancora più piccoli di quelli attualmente utilizzati.

I nanofili dipendono dalle oscillazioni spontanee del segnale elettrico causate dalle transizioni di fase nel VO2. Queste oscillazioni elettriche fanno oscillare anche i nanofili VO2, ma l'accoppiamento elettromeccanico non lineare significa che quella potenza su nanoscala può generare oscillazioni VO2 a frequenze MHz. Il team ha mostrato che l'energia aggiuntiva per le oscillazioni del cristallo si presenta sotto forma di calore causato dall'energia elettrica.

"Abbiamo impostato il nostro progetto in modo che un effetto Joule fosse localizzato in uno spazio di VO2 esposto. Abbiamo scoperto che la fonte di energia per la risposta meccanica è dominata dalle dissipazioni termiche e non dall'energia elettrica, " disse Tanaka.

La progettazione di un NEMS che sfrutti in modo efficiente il calore generato dalle transizioni di fase offre un nuovo paradigma per le tecnologie efficienti dal punto di vista energetico.

"Il nostro sistema è semplice e scalabile. Apre la possibilità di realizzare NEMS a commutazione rapida e alimentati da una fonte di alimentazione CC."