È un trucco comune allungare un palloncino per facilitarne il gonfiaggio. Quando il palloncino si allunga, la larghezza si riduce trasversalmente fino alle dimensioni di una corda. Noah Stocek, un dottorato di ricerca. studente, collaborando con il fisico occidentale Giovanni Fanchini, ha sviluppato un nuovo nanomateriale che dimostra il contrario di questo fenomeno.
Lavorando presso Interface Science Western, sede della Tandetron Accelerator Facility, Stocek e Fanchini hanno formulato nanofogli bidimensionali di semi-carburo di tungsteno (o W2 C, un composto chimico contenente parti uguali di atomi di tungsteno e di carbonio), che, quando allungati in una direzione, si espandono perpendicolarmente alla forza applicata. Questo disegno strutturale è noto come auxetica.
Il problema è che la struttura stessa del nanofoglio non è piatta. Gli atomi nel foglio sono costituiti da unità ripetitive costituite da due atomi di tungsteno per ogni atomo di carbonio, disposte metaforicamente come la superficie dentellata di un cartone di uova. Quando la tensione viene applicata sul nanofoglio elastico in una direzione, esso si espande nell'altra dimensione man mano che le fossette si appiattiscono.
Prima di questa innovazione, era stato segnalato un solo materiale che poteva espandersi del 10% per unità di lunghezza in questo modo controintuitivo. Il nanofoglio in semicarburo di tungsteno progettato in Occidente può espandersi fino al 40%, un nuovo record mondiale.
"Stavamo cercando specificamente di creare un nanomateriale bidimensionale dal semi-carburo di tungsteno", ha affermato Stocek. "Nel 2018, i teorici avevano previsto che avrebbe potuto manifestare questo comportamento a un livello eccellente, ma nessuno era riuscito a svilupparlo, nonostante i vasti tentativi da parte di gruppi di ricerca in tutto il mondo."
Non era possibile costruire il nuovo nanomateriale di semi-carburo di tungsteno utilizzando mezzi chimici, quindi Stocek e Fanchini si sono affidati alla fisica del plasma per formare gli strati a singolo atomo. Costituito da particelle cariche di atomi, il plasma è il quarto stato della materia (con solido, liquido e gas). Il plasma può essere osservato nel mondo naturale nell'aurora boreale, o Aurora Boreale, e nella corona solare durante la recente eclissi solare. Viene utilizzato anche nell'illuminazione al neon, nei tubi fluorescenti e nei televisori a schermo piatto.
In genere, la strumentazione utilizzata per produrre nanomateriali bidimensionali è costituita da forni speciali in cui i gas vengono riscaldati a una temperatura sufficientemente elevata per reagire e formare chimicamente la sostanza desiderata. Questo approccio semplicemente non ha funzionato perché qualsiasi reazione chimica, il processo più comune, porterebbe a un prodotto diverso dal nanomateriale desiderato.
"È qui che la maggior parte dei ricercatori che hanno cercato di ottenere questo materiale prima di noi sono rimasti bloccati, quindi abbiamo dovuto cambiare rotta", ha detto Fanchini.
Invece di riscaldare un gas fatto di tungsteno e atomi di carbonio in forni, che produrrebbero particelle neutre come si otterrebbero per solidi, liquidi o gas, Stocek e Fanchini hanno progettato una nuova strumentazione personalizzata che produce un plasma, costituito da energia elettricamente particelle cariche.
Obiettivi ampliati
Ci sono innumerevoli possibili applicazioni per questi W2 Nanofogli C, a partire da un nuovo tipo di estensimetro. Questi misuratori disponibili in commercio rappresentano un modo standard per misurare l'espansione e l'allungamento in qualsiasi cosa, dalle ali degli aerei agli impianti idraulici domestici.
"Immagina di voler sapere se un tubo di casa tua si deforma e rischia di scoppiare ad un certo punto. Puoi attaccare un sensore sul tubo realizzato con questo nanomateriale bidimensionale e quindi utilizzare un computer per monitorare la corrente che lo attraversa. Se la corrente aumenta, significa che il tubo si sta espandendo e rischia di scoppiare," ha detto Stocek.
Il nuovo nanomateriale, infatti, diventa più elettricamente conduttivo e ciò apre le porte a infinite possibilità di utilizzo in cose come sensori o qualsiasi dispositivo che rileva eventi o cambiamenti nell'ambiente e invia le informazioni ad altri dispositivi elettronici. Un'altra applicazione è incorporare il materiale direttamente nei componenti elettronici estensibili, come la tecnologia indossabile, in modo che abbiano maggiore conduttività.
"Normalmente, gli estensimetri si basano sul fatto che quando si allunga un materiale, diventa più sottile e si modifica la conduttività di un materiale per trasportare una corrente", ha affermato Fanchini. "Con questo nuovo nanomateriale non sarebbe più così."
I risultati sono pubblicati sulla rivista Materials Horizons .
Ulteriori informazioni: Noah B. Stocek et al, Comportamento auxetico gigante nel semicarburo di tungsteno sintetizzato a pochi strati con plasma remoto, Orizzonti dei materiali (2024). DOI:10.1039/D3MH02193A
Informazioni sul giornale: Orizzonti dei materiali
Fornito dall'Università dell'Ontario Occidentale
