Un team guidato dai ricercatori dell'Università del Minnesota Twin Cities ha scoperto un rivoluzionario processo in un unico passaggio per la creazione di materiali con proprietà uniche, chiamati metamateriali. I loro risultati mostrano la possibilità realistica di progettare strutture autoassemblate simili con il potenziale di creare nanostrutture "costruite su ordinazione" per un'ampia applicazione nell'elettronica e nei dispositivi ottici.

La ricerca è stata pubblicata e pubblicata sulla copertina di Nano lettere , una rivista scientifica peer-reviewed pubblicata dall'American Chemical Society.

Generalmente, i metamateriali sono materiali realizzati in laboratorio in modo da fornire specifiche fisiche, chimico, elettrico, e proprietà ottiche altrimenti impossibili da trovare in materiali naturali. Questi materiali possono avere proprietà uniche che li rendono ideali per una varietà di applicazioni, dai filtri ottici e dispositivi medici all'insonorizzazione degli aerei e al monitoraggio delle infrastrutture. Di solito questi materiali su scala nanometrica vengono prodotti scrupolosamente in un ambiente di camera bianca specializzato per giorni e settimane in un processo di fabbricazione in più fasi.

In questa nuova ricerca, un team dell'Università del Minnesota stava studiando un materiale a film sottile chiamato stannato di stronzio o SrSnO3. Durante la loro ricerca, hanno notato la sorprendente formazione di schemi a scacchiera su scala nanometrica simili alle strutture metamateriali fabbricate nel costoso, processo a più fasi.

"All'inizio abbiamo pensato che fosse un errore, ma presto si rese conto che il modello periodico è una miscela di due fasi dello stesso materiale con diverse strutture cristalline" ha detto Bharat Jalan, l'autore senior dello studio ed esperto in sintesi dei materiali che è la Shell Chair presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota. "Dopo essersi consultato con i colleghi dell'Università del Minnesota, Università della Georgia, e la City University di New York, ci siamo resi conto che potremmo aver scoperto qualcosa di molto speciale che può potenzialmente avere alcune applicazioni uniche."

Il materiale si era organizzato spontaneamente in una struttura ordinata mentre cambiava da una fase all'altra. Durante quello che viene chiamato un processo di "transizione di fase strutturale di primo ordine", il materiale è passato a una fase mista in cui alcune parti del sistema hanno completato la transizione e altre no.

"Questi modelli periodici su scala nanometrica sono la diretta conseguenza della transizione di fase strutturale di primo ordine in questo materiale, ", ha affermato il professor Richard James di ingegneria aerospaziale e meccanica dell'Università del Minnesota, un coautore dello studio e un distinto professore della McKnight University. "Per la prima volta, il nostro lavoro consente una serie di possibilità per l'utilizzo di trasformazioni di fase strutturale reversibili con sistemi nanoelettronici e fotonici".

Infatti, il team ha dimostrato per la prima volta un processo, autoassemblato, nanostruttura sintonizzabile per creare metamateriali in un solo passaggio. I ricercatori sono stati in grado di mettere a punto la capacità di immagazzinare le proprietà della carica elettrica all'interno di un singolo film utilizzando la temperatura e la lunghezza d'onda del laser. Hanno effettivamente creato un materiale di cristallo fotonico variabile con un'efficienza del 99%.

Utilizzando microscopi elettronici ad alta risoluzione, i ricercatori hanno confermato la struttura unica del materiale.

"Abbiamo osservato che i confini tra queste fasi cristallografiche erano nettamente definiti su scala atomica, che è notevole per un processo autoassemblato, " ha detto il professor Andre Mkhoyan, coautore dello studio, un esperto in microscopia elettronica avanzata, e la cattedra Ray D. e Mary T. Johnson/Mayon Plastics presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università del Minnesota.

I ricercatori stanno ora cercando applicazioni future per la loro scoperta in dispositivi ottici ed elettronici.

"Quando abbiamo iniziato questa ricerca, non abbiamo mai pensato a queste applicazioni. Siamo stati guidati dallo studio fondamentale della fisica del materiale, " disse Jalan. "Ora, all'improvviso, sembra che abbiamo aperto un'area di ricerca completamente nuova, che è guidato dalla possibilità di molte nuove ed entusiasmanti applicazioni."