I ricercatori della TU Delft hanno scoperto un metodo per allungare e comprimere i materiali quantistici usando il gas idrogeno. Hanno dimostrato questo effetto usando una minuscola stringa di un materiale chiamato triossido di tungsteno, che funge da spugna per l'idrogeno. La ricerca è un nuovo promettente passo nello sviluppo di risonatori micromeccanici, che hanno una vasta gamma di possibili applicazioni. Possono essere utilizzati nelle stampanti a getto d'inchiostro, come sensori per le condizioni ambientali, e come componenti attivi nella futura nanoelettronica.

I materiali quantistici sono tra gli elementi costitutivi più promettenti per i dispositivi intelligenti del futuro. Ciò che rende speciali questi materiali è che possono essere controllati su richiesta da diversi parametri esterni, ad esempio riscaldando o raffreddando, attraverso l'uso di una corrente elettrica, o applicando una pressione meccanica. Le proprietà magnetiche ed elettroniche di questi materiali possono spesso essere controllate dinamicamente, portando allo sviluppo di componenti cruciali come memorie e dispositivi per la raccolta di energia.

Un nuovo strumento di controllo

Una limitazione dei materiali quantistici è che le loro proprietà meccaniche di solito possono essere controllate solo attraverso metodi statici. Ciò significa che una volta progettato e prodotto il dispositivo, le sue caratteristiche meccaniche non possono essere modificate. I ricercatori Nicola Manca e Giordano Mattoni hanno superato questo problema utilizzando un nuovo strumento:l'idrogeno.

I ricercatori hanno utilizzato triossido di tungsteno, un materiale cristallino che può facilmente ospitare idrogeno nel suo reticolo cristallino. "Il triossido di tungsteno assorbe rapidamente il gas idrogeno, " afferma l'esperto di materiali Giordano Mattoni. "Questo produce una grande espansione della struttura cristallina, simile a quello che succede quando metti una spugna asciutta nell'acqua." Il processo è completamente reversibile e, di nuovo come una spugna, il materiale espelle l'idrogeno se esposto all'aria pura. Ciò consente di controllarne le proprietà meccaniche.

Risonatore micromeccanico

Utilizzando la sintesi di materiali di alta qualità e le avanzate strutture di nanofabbricazione presso TU Delft, i ricercatori hanno prodotto una sottile struttura sospesa di triossido di tungsteno:un cosiddetto risonatore micromeccanico. La struttura ha mostrato grandi cambiamenti meccanici dopo l'assorbimento del gas idrogeno. "Sembrava che stessimo accordando una corda di chitarra, "dice Nicola Manca, esperto di risonatori micromeccanici. "Il gas idrogeno è stato in grado di modulare la frequenza di risonanza del materiale di oltre il 500 percento". La modulazione della deformazione era così ampia che i cambiamenti indotti potevano essere osservati con un comune microscopio. Più idrogeno è entrato nel materiale, più si allargava e si piegava.

Temperatura ambiente

Uno dei principali vantaggi di questa tecnica è che può essere utilizzata a temperatura ambiente, in un ambiente controllato. È anche completamente reversibile. Come referenza, ottenere una modulazione della deformazione simile con metodi e materiali convenzionali, come l'espansione termica nel silicio, richiederebbe un aumento della temperatura di oltre 1500 gradi.

TU Delft ha una domanda di brevetto in sospeso sull'interazione di H ₂ con WO ₃ e sta pianificando ulteriori ricerche in questa promettente direzione.