Questa immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) mostra la punta di prova nanomeccanica che passa sopra gli array di nanopilastri su misura mentre applica la pressione per testare l'elasticità e il potenziale di accumulo di energia. L'inserto mostra la struttura di un singolo nanopillar ibrido. Credito:Brookhaven National Laboratory
Un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'Università del Connecticut ha sviluppato un nanomateriale personalizzabile che combina la forza metallica con una capacità simile alla schiuma di comprimersi e tornare indietro.
"Abbiamo progettato materiali in grado di immagazzinare e rilasciare una quantità senza precedenti di energia meccanica su scala nanometrica, per il suo peso, uno dei materiali di ingegneria ad alta resistenza più alti mai conosciuti, " ha affermato Chang-Yong Nam, scienziato e ricercatore principale del Brookhaven Lab. "E la nostra tecnica si adatta ai processi industriali esistenti dei semiconduttori, il che significa che il passaggio dal laboratorio alle applicazioni pratiche dovrebbe essere semplice."
Lo studio, pubblicato il 19 ottobre sulla rivista Nano lettere , descrive nanostrutture della dimensione di pochi miliardesimi di metro composte da molecole organiche e inorganiche. Queste strutture personalizzate, come i pilastri esplorati in questo studio, consentiranno sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) più avanzati, ad esempio in dispositivi che richiedono molle ultra-piccole, leve, o motori. La tecnologia NEMS che potrebbe potenzialmente sfruttare questo nuovo materiale include accelerometri ultrasensibili, risonatori multifunzionali, e muscoli artificiali biosintetici.
"La svolta si è basata su di noi per sviluppare la sintesi, " Ha aggiunto Nam. "Abbiamo collegato l'esperienza nella deposizione di strati atomici e nella litografia a fascio di elettroni con l'innovativa infiltrazione di materiale in fase vapore per dare vita a questi nuovi materiali".
Elasticità su nanoscala
La collaborazione ha cercato di valorizzare un parametro specifico:il "modulo di resilienza, " o la misura della capacità di un materiale di assorbire energia meccanica e quindi rilasciarla senza subire danni strutturali. Ciò richiede sia un'elevata resistenza meccanica che una bassa rigidità, una combinazione rara, poiché queste qualità di solito aumentano contemporaneamente.
"I nostri materiali ibridi organico-inorganico presentano un'elevata resistenza simile al metallo ma una bassa rigidità simile alla schiuma, ", ha affermato il coautore Keith Dusoe dell'Università del Connecticut, che ha condotto i test nanomeccanici e l'analisi teorica. "Questo accoppiamento unico di proprietà meccaniche spiega la capacità del nostro materiale di immagazzinare e rilasciare una quantità straordinariamente grande di energia elastica".
Quell'elasticità essenziale, come la flessione e il rilascio di un muscolo, è limitata sia dalla chimica che dalla struttura, così gli scienziati si sono rivolti a un materiale ibrido comprendente elementi sia organici che inorganici.
Sintesi per infiltrazione
Il processo è iniziato con la litografia, dove un fascio focalizzato di elettroni ha intagliato piccoli pilastri (larghi 300 nanometri e alti 1000 nanometri) in un polimero chiamato SU-8, un materiale sensibile alla luce tipicamente utilizzato per la fabbricazione di dispositivi su scala micrometrica. La precisa geometria del processo di litografia ha posto le basi strutturali per la successiva infiltrazione di elementi inorganici, entrambi condotti presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.
Il team ha posizionato l'array di nanopillar in una camera a vuoto e ha introdotto un vapore precursore di alluminio, un processo chiamato deposizione di strati atomici (ALD). Il precursore si impregna naturalmente nei pori dei pilastri polimerici, un po' come il cemento molecolare che leviga crepe e fessure in un marciapiede. La successiva esposizione all'acqua ha trasformato il precursore dell'alluminio in una molecola di ossido metallico, che rafforza la matrice polimerica. Il numero e la durata di queste esposizioni consente ai ricercatori di mettere a punto le proprietà meccaniche finali del materiale.
"Questo processo di infiltrazione dovrebbe consentire la combinazione unica di resilienza elastica meccanica con proprietà elettroniche e persino ottiche, dati i vari sistemi di materiali inorganici che possiamo infiltrarci, " Nam ha detto. "Questi materiali ibridi sarebbero davvero nuovi, con proprietà combinate mai viste prima. E soprattutto, possiamo eseguire questo passaggio con sistemi di deposizione disponibili in commercio e scalabili."
Questo diagramma mostra il rivoluzionario processo di sintesi sviluppato per questi nanomateriali ibridi. Primo, la litografia a fascio di elettroni scolpisce i nanopillar isolati, poi un vapore di alluminio (TMA) si infiltra nei pori delle strutture, e infine l'esposizione all'acqua crea il materiale infuso di ossido di alluminio finale. Credito:Brookhaven National Laboratory
Hanno testato la composizione chimica e la struttura con la microscopia elettronica a trasmissione al CFN, che ha rivelato che i cluster sferici di ossido di alluminio sono rimasti chimicamente discreti ma completamente integrati nella matrice dei nanopilastri.
"Questa accurata miscelazione, ed in particolare la forma sferica dei cluster di ossido metallico, contribuisce al notevole modulo di resilienza, "Dusoe ha detto. "Senza il riempitivo di ossido di metallo su scala nanometrica infiltrato, i pilastri polimerici verrebbero schiacciati sotto sforzo meccanico."
Per testare quella resilienza, scienziati dell'Università del Connecticut hanno eseguito una punta nanomeccanica sul campione, che era in grado di premere delicatamente sui singoli pilastri, ciascuno circa 200 volte più sottile di un capello umano. Il team ha misurato la relazione tra l'energia meccanica elastica, la capacità del materiale di immagazzinarlo e rilasciarlo, e l'integrità strutturale.
"L'alto modulo di resilienza e l'elevata resistenza sono davvero sorprendenti, " ha detto Seok-Woo Lee, il ricercatore principale del team dell'Università del Connecticut. "Il nostro materiale ibrido può fornire una grande protezione dall'impatto meccanico e la resistenza superiore sullo strato superficiale garantisce un'eccellente resistenza all'usura. La tecnica di infiltrazione avrà un grande impatto nelle comunità di nanofabbricazione".
La collaborazione continuerà a modificare le proprietà strutturali e chimiche per sfruttare ulteriormente questi materiali e prepararli per le applicazioni.
"La sintesi per infiltrazione è ancora una tecnica relativamente nuova, " Nam ha detto. "Sono entusiasta delle sue future applicazioni nella generazione di nuovi materiali ibridi funzionali e nanostrutture inorganiche per migliorare le prestazioni di vari sensori, energia, e tecnologie ambientali”.
