I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno utilizzato laser ultravioletti estremi ultraveloci per misurare le proprietà di materiali più di 100 volte più sottili di un globulo rosso umano.

Il gruppo, guidato da scienziati della JILA, ha riportato la sua nuova impresa di sottigliezza questa settimana nel diario Materiali per la revisione fisica . Obiettivo del gruppo, una pellicola di soli 5 nanometri di spessore, è il materiale più sottile che i ricercatori siano mai stati in grado di sondare completamente, ha detto il coautore dello studio Joshua Knobloch.

"Questo è uno studio da record per vedere quanto piccolo potremmo andare e quanto potremmo essere precisi, " disse Knobloch, uno studente laureato presso JILA, una partnership tra CU Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST).

Ha aggiunto che quando le cose si fanno piccole, le normali regole dell'ingegneria non sempre si applicano. Il gruppo ha scoperto, Per esempio, che alcuni materiali sembrano diventare molto più morbidi man mano che diventano sottili.

I ricercatori sperano che le loro scoperte possano un giorno aiutare gli scienziati a navigare meglio nel nanomondo spesso imprevedibile, progettare circuiti informatici più piccoli ed efficienti, semiconduttori e altre tecnologie.

"Se stai facendo nanoingegneria, non puoi semplicemente trattare il tuo materiale come se fosse un normale materiale grande, "ha detto Travis Frazer, autore principale del nuovo articolo ed ex studente laureato presso JILA. "Per il semplice fatto che è piccolo, si comporta come un materiale diverso."

"Questa sorprendente scoperta, che i materiali molto sottili possono essere 10 volte più fragili del previsto, è un altro esempio di come i nuovi strumenti possono aiutarci a comprendere meglio il nanomondo, " disse Margaret Murnane, coautore della nuova ricerca, professore di fisica alla CU Boulder e JILA fellow.

Nano si muove

La ricerca arriva in un momento in cui molte aziende tecnologiche stanno cercando di fare proprio questo:andare in piccolo. Alcune aziende stanno sperimentando modi per costruire chip per computer efficienti che sovrappongono sottili film di materiale, come una pasta fillo, ma all'interno del tuo laptop.

Il problema con questo approccio, Frazer ha detto, è che gli scienziati hanno difficoltà a prevedere come si comporteranno quegli strati traballanti. Sono semplicemente troppo delicati per essere misurati in modo significativo con i soliti strumenti.

Per aiutare in questo obiettivo, lui e i suoi colleghi hanno utilizzato laser ultravioletti estremi, o fasci di radiazioni che forniscono lunghezze d'onda più corte rispetto ai laser tradizionali, lunghezze d'onda che si adattano bene al nanomondo. I ricercatori hanno sviluppato un sistema che consente loro di far rimbalzare quei raggi su strati di materiale spessi solo pochi filamenti di DNA, tracciando i diversi modi in cui questi film possono vibrare.

"Se puoi misurare la velocità con cui il tuo materiale si muove, poi puoi capire quanto è rigido, " ha detto Frazer.

Disturbo atomico

Il metodo ha anche rivelato quanto possono cambiare le proprietà dei materiali quando li fai molto, molto piccolo.

Nello studio più recente, Per esempio, i ricercatori hanno sondato la forza relativa di due film realizzati in carburo di silicio:uno spesso circa 46 nanometri, e l'altro di soli 5 nanometri di spessore. Il laser ultravioletto del team ha prodotto risultati sorprendenti. Il film più sottile era circa 10 volte più morbido, o meno rigido, rispetto alla sua controparte più spessa, qualcosa che i ricercatori non si aspettavano.

Frazer ha spiegato che, se fai una pellicola troppo sottile, puoi tagliare i legami atomici che tengono insieme un materiale, un po' come dipanare una corda sfilacciata.

"Gli atomi nella parte superiore del film hanno altri atomi sotto di loro a cui possono aggrapparsi, " disse Frazer. "Ma sopra di loro, gli atomi non hanno nulla a cui aggrapparsi."

Ma non tutti i materiali si comporteranno allo stesso modo, Ha aggiunto. Il team ha anche ripetuto lo stesso esperimento su un secondo materiale che era quasi identico al primo con una grande differenza:questo aveva molti più atomi di idrogeno aggiunti. Un tale processo di "doping" può naturalmente interrompere i legami atomici all'interno di un materiale, facendogli perdere forza.

Quando il gruppo ha testato quel secondo, materiale più fragile usando i loro laser, hanno scoperto qualcosa di nuovo:questo materiale era altrettanto forte quando aveva uno spessore di 44 nanometri quanto lo era con uno spessore di 11 nanometri.

Metti in modo diverso, gli atomi di idrogeno aggiuntivi avevano già indebolito il materiale:un po' di restringimento extra non avrebbe potuto fare più danni.

Alla fine, il team afferma che il suo nuovo strumento laser ultravioletto offre agli scienziati una finestra su un regno che in precedenza era al di là della portata della scienza.

"Ora che le persone stanno costruendo molto, dispositivi molto piccoli, si chiedono come proprietà come lo spessore o la forma possano cambiare il comportamento dei loro materiali, " Knobloch ha detto. "Questo ci dà un nuovo modo di accedere alle informazioni sulla tecnologia su scala nanometrica".

Questa ricerca è stata supportata dallo STROBE National Science Foundation Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging.