Oggi puoi portare un intero computer in tasca perché i mattoni tecnologici sono diventati sempre più piccoli dagli anni '50. Ma per creare future generazioni di elettronica, come telefoni più potenti, celle solari più efficienti o persino computer quantistici, gli scienziati dovranno inventare una tecnologia completamente nuova su scale minime.

Un'area di interesse sono i nanocristalli. Questi minuscoli cristalli possono assemblarsi in molte configurazioni, ma gli scienziati hanno avuto difficoltà a capire come farli parlare tra loro.

Un nuovo studio introduce una svolta nel far funzionare insieme elettronicamente i nanocristalli. Pubblicato il 25 marzo in Scienza,  la ricerca potrebbe aprire le porte a dispositivi futuri con nuove capacità.

"Chiamiamo questi elementi costitutivi super atomici, perché possono conferire nuove capacità, ad esempio consentire alle telecamere di vedere nella gamma degli infrarossi", ha affermato il prof. Dmitri Talapin dell'Università di Chicago, l'autore corrispondente dell'articolo. "Ma fino ad ora è stato molto difficile assemblarli in strutture e  farli parlare tra loro. Ora, per la prima volta, non dobbiamo scegliere. Questo è un miglioramento trasformativo."  

Nel loro articolo, gli scienziati stabiliscono regole di progettazione che dovrebbero consentire la creazione di molti diversi tipi di materiali, ha affermato Josh Portner, un Ph.D. studente di chimica e uno dei primi autori dello studio.

Un piccolo problema

Gli scienziati possono far crescere nanocristalli da molti materiali diversi:metalli, semiconduttori e magneti produrranno ciascuno proprietà diverse. Ma il problema era che ogni volta che cercavano di assemblare questi nanocristalli in array, i nuovi supercristalli crescevano con lunghi "peli" intorno a loro.

Questi peli rendevano difficile il salto degli elettroni da un nanocristallo all'altro. Gli elettroni sono i messaggeri della comunicazione elettronica; la loro capacità di muoversi facilmente è una parte fondamentale di qualsiasi dispositivo elettronico.

I ricercatori avevano bisogno di un metodo per ridurre i peli attorno a ciascun nanocristallo, in modo da poterli avvolgere più strettamente e ridurre gli spazi intermedi. "Quando questi divari sono più piccoli di un solo fattore tre, la probabilità che gli elettroni saltino attraverso è circa un miliardo di volte superiore", ha affermato Talapin, Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry and Molecular Engineering presso UChicago e uno scienziato senior presso Laboratorio Nazionale Argonne. "Cambia molto fortemente con la distanza."

Per radersi i peli, hanno cercato di capire cosa stesse succedendo a livello atomico. Per questo, avevano bisogno dell'aiuto di potenti raggi X presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne e della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, oltre a potenti simulazioni e modelli della chimica e della fisica in gioco. Tutto ciò ha permesso loro di capire cosa stava succedendo in superficie e di trovare la chiave per sfruttare la loro produzione.

Parte del processo per far crescere i supercristalli avviene in soluzione, cioè in liquido. Si scopre che man mano che i cristalli crescono, subiscono una trasformazione insolita in cui coesistono tutte le fasi gassosa, liquida e solida. Controllando con precisione la chimica di quella fase, potrebbero creare cristalli con esterni più duri e sottili che potrebbero essere impacchettati insieme molto più da vicino. "Capire il loro comportamento in fase è stato un enorme balzo in avanti per noi", ha affermato Portner.

L'intera gamma di applicazioni rimane poco chiara, ma gli scienziati possono pensare a più aree in cui la tecnica potrebbe portare. "Ad esempio, forse ogni cristallo potrebbe essere un qubit in un computer quantistico; l'accoppiamento di qubit in array è una delle sfide fondamentali della tecnologia quantistica in questo momento", ha affermato Talapin.

Portner è anche interessato ad esplorare l'insolito stato intermedio della materia osservato durante la crescita dei supercristalli:"La coesistenza a tre fasi come questa è abbastanza rara da essere intrigante pensare a come sfruttare questa chimica e costruire nuovi materiali".

Lo studio ha incluso scienziati dell'Università di Chicago, della Technische Universität Dresden, della Northwestern University, della Arizona State University, dello SLAC, del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell'Università della California, Berkeley. + Esplora ulteriormente

I collegamenti di nanocristalli potrebbero portare a una migliore elettronica, affermano gli scienziati