Le sollecitazioni e le deformazioni possono alterare drasticamente le proprietà di un materiale, e TU Wien ha ora sviluppato un metodo per rendere visibili queste deformazioni interne.

Materiali bidimensionali come grafene, che consistono di uno o pochi strati atomici, sono stati un aspetto molto promettente della scienza dei materiali negli ultimi anni. Dimostrano proprietà notevoli che aprono possibilità tecniche completamente nuove, dalla tecnologia dei sensori alle celle solari.

Però, c'è un fenomeno importante che finora non è stato possibile misurare con precisione:le sollecitazioni e le sollecitazioni interne estreme a cui tali materiali possono essere sottoposti, che spesso alterano drasticamente le proprietà fisiche del materiale. TU Wien ha ora misurato con successo queste distorsioni in materiali 2-D a livello microscopico, il che significa che ora è possibile osservare con precisione (punto per punto) come le proprietà di un materiale possono essere alterate a seguito di una semplice distorsione. Questi nuovi metodi di misurazione sono stati ora pubblicati sulla rivista specializzata Comunicazioni sulla natura .

Allungamento e compressione

Quando un materiale viene allungato o compresso, la distanza tra i singoli atomi cambia, e questa distanza ha un'influenza sulle proprietà elettroniche del materiale. Questo fenomeno è stato utilizzato per anni nella tecnologia dei semiconduttori:cristalli di silicio, Per esempio, possono essere coltivate in modo che siano permanentemente sotto stress meccanico interno.

Però, materiali bidimensionali, che consistono solo di uno strato ultrasottile, offrono un potenziale molto maggiore:"Un cristallo può essere allungato forse dell'un percento prima di rompersi. Con i materiali 2-D, è possibile una deformazione del dieci o venti per cento", afferma il prof. Thomas Müller dell'Istituto di fotonica (Facoltà di ingegneria elettrica e tecnologia dell'informazione) alla TU Wien. A seconda della deformazione e delle sollecitazioni meccaniche presenti all'interno del materiale, le proprietà elettroniche possono cambiare completamente, come la capacità degli elettroni di assorbire la luce in entrata.

"Fino ad ora, se volevi misurare le sollecitazioni presenti in questo tipo di materiale dovevi affidarti a metodi di misurazione estremamente complicati", spiega Lukas Mennel (TU Wien), autore principale della pubblicazione. Per esempio, si poteva osservare la superficie con un microscopio elettronico a trasmissione, misurare la distanza media tra gli atomi e quindi dedurne qualsiasi stiramento o compressione. A TU Vienna, questo processo è stato ora reso molto più semplice e accurato.

Luce rossa dentro, luce blu spenta

Qui, viene utilizzato un notevole effetto chiamato raddoppio di frequenza:"Se irradi materiali specifici - nel nostro caso uno strato di bisolfuro di molibdeno - con un raggio laser adatto, il materiale può riflettere la retroilluminazione di un colore diverso", spiega Thomas Müller. Due fotoni nel raggio laser in arrivo vengono combinati per formare un fotone con il doppio dell'energia, che viene emesso dal materiale.

Però, l'intensità di questo effetto dipende dalla simmetria interna del materiale. Generalmente, bisolfuro di molibdeno ha una struttura a nido d'ape, cioè simmetria esagonale. Se il materiale è allungato o compresso, questa simmetria è leggermente distorta e questa piccola distorsione ha un effetto drammatico sull'intensità della luce riflessa dal materiale.

Se si posiziona uno strato di bisolfuro di molibdeno su una microstruttura, come mettere una coperta di gomma su una struttura per arrampicarsi, il risultato è un complesso schema di distorsioni locali. Ora puoi usare un laser per scansionare il materiale punto per punto e ottenere così una mappa dettagliata di questi allungamenti e compressioni. "Così facendo, non solo possiamo misurare la gravità di queste deformazioni, ma possiamo anche vedere la direzione esatta in cui corrono", spiega Lukas Mennel.

Questi metodi di imaging possono ora essere utilizzati per il locale, regolazione mirata delle proprietà del materiale. "Per esempio, deformazioni personalizzate del materiale nelle celle solari potrebbero garantire che i vettori di carica gratuita vengano diffusi nella giusta direzione il più rapidamente possibile", dice Thomas Müller. Questa ricerca sui materiali 2-D significa che un nuovo, potente strumento è ora disponibile.