Scienziati dell'EPFL, Germania e Francia hanno rivelato una nuova proprietà del materiale economico e abbondante anatasio biossido di titanio, che promette applicazioni come mezzo per nanosensori a temperatura ambiente di stress meccanico con lettura ottica.
La misurazione dello stress meccanico nel nanomondo è una sfida importante nella scienza e nell'ingegneria dei materiali. La chiave di questo progresso è la capacità di combinare materiali di dimensioni nanometriche economici che reagiscono allo stress meccanico e schemi di rilevamento semplici. Un percorso promettente comporterebbe lo sviluppo di sensori con lettura ottica. Però, non sono noti nanomateriali che modificano le loro proprietà di assorbimento della luce in seguito all'applicazione di sollecitazioni meccaniche in modo semplice e prevedibile, soprattutto a temperatura ambiente. Tali materiali sarebbero estremamente utili in una serie di applicazioni di rilevamento, dalle bioscienze alla metrologia.
In una svolta, il laboratorio di Majed Chergui all'EPFL all'interno del Losanna Center for Ultrafast Science, in collaborazione con i gruppi teorici di Angel Rubio a Max-Planck (Amburgo) e Pascal Ruello all'Université de Le Mans, ha dimostrato che le nanoparticelle del polimorfo anatasio del biossido di titanio possono rivoluzionare il campo.
Il biossido di titanio è un materiale economico e abbondante che è già utilizzato in un'ampia varietà di applicazioni come il fotovoltaico, fotocatalisi, substrati conduttivi trasparenti, crema solare, vernici, depurazione dell'acqua e dell'aria. Con la loro recente scoperta, pubblicato in Nano lettere , Chergui e i suoi colleghi mostrano che il biossido di titanio è il candidato più promettente per lo sviluppo di sensori di deformazione a temperatura ambiente su scala nanometrica e con lettura ottica.
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno lanciato un'onda di stress meccanico all'interno delle nanoparticelle di biossido di titanio a temperatura ambiente e hanno monitorato la loro risposta ottica in prossimità della banda di assorbimento principale del materiale, chiamato "eccitone". Hanno scoperto che quest'ultimo subisce un cambiamento di intensità sotto lo stress meccanico applicato. Questa semplice risposta è in contrasto con il comportamento di tutti i materiali conosciuti, le cui risposte ottiche allo stress meccanico sono complesse e imprevedibili. Queste nuove scoperte aprono la strada allo sviluppo di sensori con una lettura ottica basata su una singola frequenza laser sintonizzata sulla risonanza degli eccitoni.
Considerando che il biossido di titanio è già incorporato in una vasta gamma di dispositivi e che è disponibile un'ampia esperienza per combinarlo con altri sistemi, questi risultati promettono una nuova generazione di sensori ottici di stress meccanico su scala nanometrica.
"Questa osservazione è stata resa possibile grazie alle nostre nuove tecniche laser ultraveloci nell'ultravioletto profondo. Ci aspettiamo che il nostro metodo sperimentale porti a scoperte ancora più emozionanti nel nano-mondo nel prossimo futuro, " dice Edoardo Baldini (primo autore dell'articolo, ora al MIT).
