Il nuovo materiale potrebbe essere utilizzato per fungere da interruttore su scala nanometrica o persino da motore.
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto una nuova caratteristica praticabile di una particolare classe di materiali 2D.
Università del Riso lo scienziato dei materiali Boris Yakobson e il suo team hanno scoperto una proprietà dei materiali 2D ferroelettrici che ha il potenziale per essere sfruttata come caratteristica nei dispositivi futuri.
Secondo uno studio pubblicato su ACS Nanoi materiali ferroelettrici a strato singolo, grazie alla loro capacità di piegarsi in risposta a uno stimolo elettrico, possono essere controllati per agire come un interruttore su scala nanometrica o addirittura un motore.
Boris Yakobson è Karl F. Hasselmann professore di scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. Credito: Jeff Fitlow/Università del riso
I materiali a strato singolo o 2D sono tipicamente costituiti da un singolo strato di atomi, il che significa che hanno uno spessore di pochi nanometri. Negli ultimi anni hanno ricevuto un’attenzione significativa a causa delle loro proprietà fisiche, elettriche, chimiche e ottiche, che le rendono utili in applicazioni che vanno dall’elettronica di consumo alle tecnologie mediche e industriali.
“I materiali 2D sono molto sottili e molto flessibili”, ha affermato Yakobson. “Nei ferroelettrici a strato singolo, questo produce un comportamento di flessione spontaneo e attivo inaspettato.”
“La novità che abbiamo riscontrato in questo studio è che esiste una connessione o accoppiamento tra lo stato ferroelettrico e la flessione o flessione del materiale. Questo lavoro combina la scoperta o la previsione di una proprietà fondamentale di una classe di materiali 2D con un angolo di applicazione pratica».
I ferroelettrici sono materiali costituiti da ioni negativi e positivi che possono spostarsi per produrre una polarizzazione spontanea, il che significa che gli ioni si segregano in base alla loro carica elettrica.
“La cosa interessante è che gli atomi non sono identici”, spiega Jun-Jie Zhang, ricercatore associato alla Rice e autore principale dello studio. “Alcuni sono più grandi e altri più piccoli, quindi la simmetria degli strati è rotta”.
Jun-Jie Zhang è un ricercatore associato alla Rice e autore principale dello studio. Credito: Yakobson Group/Rice University
La polarizzazione spinge gli atomi più grandi su un lato dello strato di materiale 2D e gli atomi più piccoli sull’altro lato. Questa distribuzione asimmetrica degli atomi o degli ioni fa sì che la superficie del materiale si pieghi in uno stato ferroelettrico.
“Quindi, invece di rimanere piatto, in uno stato ferroelettrico il materiale si piegherà”, ha detto Yakobson. “Se cambi la polarizzazione – e puoi cambiarla applicando tensione elettrica – puoi controllare la direzione in cui si piegherà. Questo comportamento controllabile significa che hai un attuatore.
“Un attuatore è qualsiasi dispositivo che traduce un segnale – in molti casi un segnale elettrico, ma può essere un segnale di tipo diverso – in spostamento meccanico o, in altre parole, movimento o lavoro”.
Lo studio ha esaminato il fosfuro di indio 2D (InP) come rappresentante della classe di ferroelettrici per i quali prevede questa proprietà.
“Questa nuova proprietà o comportamento alla flessione deve essere testata in laboratorio per sostanze specifiche”, ha affermato Yakobson. “Il suo uso più probabile sarà come un tipo di interruttore. Questo comportamento è molto veloce, molto sensibile, il che significa che con un segnale locale molto piccolo, puoi forse accendere una turbina o un motore elettrico, o controllare gli specchi dei telescopi ad ottica adattiva. Questa è fondamentalmente l’essenza di questi attuatori.
“Quando guidi la tua auto, hai un sacco di manopole e interruttori e rende tutto molto semplice. Non devi più aprire il finestrino della macchina, puoi semplicemente accendere un interruttore.
Riferimento: “Flexo-Ferroelectricity and a Work Cycle of a Two-Dimensional-Monolayer Actuator” di Jun-Jie Zhang, Tariq Altalhi e Boris I. Yakobson, 28 febbraio 2023, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c00492
Lo studio è stato finanziato dall’US Army Research Office e dall’Office of Naval Research, con risorse informatiche fornite attraverso il programma ACCESS dalla National Science Foundation.
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