Materiali innovativi? Questione di “rilassamento”
Dalle etichette anticontraffazione alle reti di comunicazione 5G o 6G è tutta una questione di...tempo: i cosiddetti “processi di rilassamento”, ovvero i meccanismi attraverso i quali gli elettroni nei materiali ritornano nel loro stato a bassa energia in risposta a uno stimolo esterno e alla loro “durata”, sono alla base delle applicazioni più avanzate di nanomateriali come i quantum dots o i foglietti di grafite. Sebbene nella sua accezione più comune il termine “rilassamento” sia associato a tempi percepiti come “lenti”, nei processi che coinvolgono atomi ed elettroni, la finestra temporale si estende da pochi secondi fino al milionesimo di miliardesimo di secondo, a seconda del materiale e del fenomeno considerato
Le proprietà dei materiali sono influenzate da forze esterne, come quelle esercitate dai campi elettrici e magnetici, e dalle sollecitazioni meccaniche, il cui effetto è quello di cambiare la configurazione in cui si trovano gli atomi e/o le molecole costituenti. L’azione di tali forze, infatti, determina un nuovo “stato”, diverso da quello in cui il materiale si trova inizialmente: il sistema, poi, ritornerà allo stato iniziale, generalmente quello energeticamente più stabile, attraverso meccanismi atomici/molecolari di risposta detti “fenomeni di rilassamento” e caratterizzati da tempi ben precisi.
Alcuni materiali sono fluorescenti o fosforescenti, ad esempio, perché rilassano emettendo luce in risposta all’assorbimento di radiazione ultravioletta, visibile o infrarossa (la fotoluminescenza), il cui effetto è quello di “eccitare”, ovvero portare gli elettroni in uno stato a più alta energia. La durata, o “tempo di vita” di questo stato “eccitato” va dalla scala del miliardesimo di secondo (nanosecondi) fino a qualche centinaio di secondi, a seconda dei processi con cui gli elettroni ritornano nello stato iniziale, influenzati anche dall’ambiente esterno, come la presenza di altre molecole, l’acidità, la temperatura. Proprio per questo è possibile, dunque, associare la luce emessa alle condizioni “ambientali” aprendo allo sviluppo e all’utilizzo su larga scala di sonde o indicatori molecolari in grado di rilevare, ad esempio, la presenza di molecole biologiche nelle indagini forensi.
Un’applicazione interessante della fotoluminescenza riguarda i sistemi anticontraffazione di prodotti ad alto valore, come documenti ufficiali, banconote, vestiti, packaging soprattutto dei prodotti farmaceutici. Tecniche di stampa sempre più avanzate permettono di duplicare alcuni sistemi complessi di marcatura. Occorre, pertanto, ricercare e sviluppare metodi di etichettatura difficilmente replicabili, e in questa direzione la ricerca si sta focalizzando sullo sviluppo di inchiostri luminescenti a base di nanoparticelle contenenti lantanidi o quantum dots, da depositare su carta o tessuto, in grado di emettere luce di uno o più colori - dall’infrarosso all’ultravioletto - se sottoposti a radiazione a specifiche lunghezze d’onda.
La luminescenza è il fenomeno su cui si basano le attuali tecnologie Oled per gli schermi e l’illuminazione. In alcune classi di materiali, si osserva l’elettroluminescenza dopo l’applicazione di un voltaggio elettrico. Ad esempio, polimeri o piccole molecole organiche che contengono metalli emettono luce nei diversi colori in risposta allo stimolo elettrico. Nei dispositivi Oled, film sottili di questi materiali depositati fra due elettrodi emettono luce rossa, verde e blu, dando vita alle immagini a colori. L’intensità e la brillantezza del colore dipendono dai meccanismi con cui gli elettroni nei livelli energetici ritornano nel loro stato iniziale e, generalmente, più “lentamente” avviene l’emissione, migliore è la qualità.
“Illuminante” è anche l’interazione della luce con il grafene. Costituito da un singolo strato di atomi di carbonio legati a dare un reticolo esagonale, quando la luce colpisce il grafene, gli elettroni vengono eccitati a livelli energetici più alti (fotoeccitazione) creando nuovi stati detti “plasmoni” o “eccitoni”. Il processo di rilassamento di questi portatori definito “ultraveloce”, dell'ordine dei femtosecondi (millesimi di miliardesimo di secondo), è alla base delle sue applicazioni in opto-elettronica ultrarapida. In particolare, i ricercatori stanno studiando i meccanismi coinvolti nelle diverse fasi del rilassamento dovuti alle mutue interazioni fra portatori di carica (interazioni elettrone-elettrone) e fra questi ultimi e gli atomi del reticolo cristallino (interazione elettrone-fonone) classificati come ultraveloci. Questa “velocità” di processo si traduce in una grande efficienza nel generare corrente elettrica assorbendo la luce, consentendo applicazioni innovative come gli interruttori ottici superveloci per sistemi di trasmissione ottici dei dati.
Grafene ma non solo: anche i composti formati da zolfo o selenio (calcogeni) e metalli di transizione come molibdeno o tungsteno, detti calcogenuri dei metalli o Tmd (Transition Metals Dichalcogenides), appartengono ai cosiddetti “2D materials”, chiamati così perché costituiti da un singolo strato di atomi, caratteristica da cui derivano le proprietà ottiche ed elettriche fuori dall’ordinario.
Inoltre, i composti fra calcogeni (zolfo, selenio, tellurio), il germanio e l’antimonio sono il “cavallo di battaglia” dei materiali per la fotonica e la plasmonica: il meccanismo che funge da interruttore ottico è il cambiamento di fase, ovvero il passaggio da uno stato cristallino “ordinato” a uno stato amorfo “disordinato”, con proprietà ottiche e quindi elettroniche diverse. Questa transizione si verifica nei cosiddetti Phase Change Materials (Pcm) in seguito all’irraggiamento con una luce laser. Nel progetto europeo Phemtronics, ad esempio, coordinato dal Cnr, sono stati sintetizzati e studiati Pcm compatibili con le tecnologie dei chip elettronici Cmos, in grado di rispondere allo stimolo nella finestra temporale dei femtosecondi, usando energie molto basse, dell’ordine dei femtojoule.
Fonte: Alessia Famengo, Istituto di chimica della materia condensata e di tecnologie per l’energia, alessia.famengo@cnr.it