Come sparare proiettili attraverso i materiali senza danneggiarli

Quando particelle cariche vengono lanciate attraverso strati ultrasottili di materiale, a volte si verificano microesplosioni spettacolari e talvolta il materiale rimane quasi intatto. Le ragioni di ciò sono state ora spiegate dai ricercatori della TU Wien.

Suona un po’ come un trucco magico: alcuni materiali possono essere attraversati da ioni veloci e caricati elettricamente senza che si formino dei buchi. Ciò che sarebbe impossibile a livello macroscopico è consentito a livello di singole particelle. Tuttavia, non tutti i materiali si comportano allo stesso modo in tali situazioni: negli ultimi anni diversi gruppi di ricerca hanno condotto esperimenti con risultati molto diversi.

Alla TU Wien (Vienna, Austria) è stato ora possibile trovare una spiegazione dettagliata del perché alcuni materiali vengono perforati e altri no. Ciò è interessante, ad esempio, per la lavorazione di membrane sottili, che dovrebbero avere nanopori su misura per intrappolare, trattenere o far passare atomi o molecole molto specifici.

Materiali ultrasottili: il grafene ed i suoi pari

“Oggi esiste un’intera gamma di materiali ultrasottili costituiti da uno o pochi strati atomici“, afferma il prof. Christoph Lemell dell’Istituto di fisica teorica della TU Wien. “Probabilmente il più noto di questi è il grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Ma oggi si stanno facendo ricerche anche su altri materiali ultrasottili in tutto il mondo, come il disolfuro di molibdeno“.

Nel gruppo di ricerca del Prof. Friedrich Aumayr presso l’Istituto di Fisica Applicata della TU Wien, tali materiali vengono bombardati con proiettili molto speciali: ioni altamente carichi. Prendono atomi, tipicamente gas nobili come lo xeno, e li spogliano di un gran numero di elettroni. Questo crea ioni con una carica elettrica da 30 a 40 volte superiore. Questi ioni vengono accelerati e quindi colpiscono il sottile strato di materiale con un’energia elevata.

“Ciò si traduce in effetti completamente diversi a seconda del materiale“, afferma Anna Niggas, fisica sperimentale presso l’Institute of Applied Physics. “A volte il proiettile penetra nello strato di materiale senza alcun cambiamento evidente nel materiale. A volte lo strato di materiale nel sito dell’impatto viene completamente distrutto, numerosi atomi vengono spostati e si forma un foro del diametro di pochi nanometri“.

La velocità degli elettroni

Queste differenze possono essere spiegate dal fatto che non è la quantità di moto del proiettile il principale responsabile dei fori, ma la sua carica elettrica. Quando uno ione con carica positiva multipla colpisce lo strato di materiale, attrae una quantità maggiore di elettroni e li porta con sé. Ciò lascia una regione caricata positivamente nello strato di materiale.

L’effetto dipende dalla velocità con cui gli elettroni possono muoversi in questo materiale. “Il grafene ha una mobilità elettronica estremamente elevata. Quindi questa carica positiva locale può essere bilanciata in breve tempo. Gli elettroni fluiscono semplicemente da altrove“, spiega Christoph Lemell.

In altri materiali come il bisolfuro di molibdeno, invece, le cose sono diverse: lì gli elettroni sono più lenti, non possono essere forniti in tempo dall’esterno al luogo dell’impatto. E così si verifica una mini-esplosione nel sito dell’impatto: gli atomi caricati positivamente, da cui il proiettile ha prelevato i loro elettroni, si respingono a vicenda, volano via e questo crea un poro di dimensioni nanometriche.

“Ora siamo stati in grado di sviluppare un modello che ci consente di stimare molto bene in quali situazioni si formano buchi e in quali no, e questo dipende dalla mobilità degli elettroni nel materiale e dallo stato di carica del proiettile“, afferma Alexander Sagar Grossek, primo autore della pubblicazione sulla rivista Nano Letters.

Il modello spiega anche il fatto sorprendente che gli atomi espulsi dal materiale si muovono relativamente lentamente: l’alta velocità del proiettile non ha importanza per loro; vengono rimossi dal materiale per repulsione elettrica solo dopo che il proiettile è già passato attraverso lo strato di materiale. E in questo processo, non tutta l’energia della repulsione elettrica viene trasferita agli atomi spruzzati: gran parte dell’energia viene assorbita nel materiale rimanente sotto forma di vibrazioni o calore.

Sia gli esperimenti che le simulazioni sono stati eseguiti presso TU Wien. La risultante comprensione più approfondita dei processi della superficie atomica può essere utilizzata, ad esempio, per dotare specificamente le membrane di “nanopori” su misura. Ad esempio, si potrebbe costruire un “setaccio molecolare” o contenere determinati atomi in modo controllato. Si pensa addirittura di utilizzare tali materiali per filtrare la CO ₂ dall’aria.

“Attraverso le nostre scoperte, ora abbiamo un controllo preciso sulla manipolazione dei materiali su scala nanometrica. Ciò fornisce per la prima volta uno strumento completamente nuovo per manipolare film ultrasottili in modo calcolabile con precisione“, conclude Alexander Sagar Grossek.