Vibrazioni esotiche nei nuovi materiali
Nuove intuizioni mostrano l'applicabilità universale del carbyne come sensore
Per la progettazione di materiali futuri, è importante capire come i singoli atomi all'interno di un materiale interagiscano tra loro in modo quantomeccanico. Gli stati vibrazionali precedentemente inspiegabili tra catene di carbonio (carbyne) e nanotubi hanno lasciato perplessi gli scienziati dei materiali. Ricercatori austriaci, italiani, francesi, cinesi e giapponesi, guidati dall'Università di Vienna, sono ora riusciti a venire a capo di questo fenomeno grazie alla spettroscopia Raman, a modelli teorici innovativi e all'uso del machine learning. I risultati, pubblicati su "Nature Communications", mostrano l'applicabilità universale del carbyne come sensore grazie alla sua sensibilità alle influenze esterne.
Per la progettazione di materiali futuri, è importante capire come la materia interagisce su scala atomica. Questi effetti quantomeccanici determinano tutte le proprietà macroscopiche della materia, come quelle elettriche, magnetiche, ottiche o elastiche. Negli esperimenti, gli scienziati utilizzano la spettroscopia Raman, in cui la luce interagisce con la materia, per determinare gli autostati vibrazionali dei nuclei atomici dei campioni.
Nove anni fa, il gruppo di ricerca di Thomas Pichler dell'Università di Vienna è riuscito per la prima volta a stabilizzare il carbyne, una catena lineare di atomi di carbonio, nei nanotubi di carbonio, con grande sorpresa della comunità scientifica. Il carbyne, che finora era stato trovato solo in un tubo, ha proprietà elettroniche controllabili, essenziali per la tecnologia dei semiconduttori, e potrebbe essere il materiale più forte conosciuto in termini di resistenza alla trazione. Nel loro esperimento, il team ha osservato uno stato inaspettato del sistema, che non corrispondeva al modello esplicativo comune e che all'epoca era completamente incompreso.
I ricercatori hanno ora analizzato più da vicino questo inspiegabile stato del sistema. Utilizzando un modello teorico innovativo, che è stato possibile applicare solo grazie alle recenti scoperte nel campo dell'apprendimento automatico, sono riusciti a trovare una spiegazione per le nuove interazioni tra la catena e il nanotubo osservate in laboratorio, che inizialmente sembrano paradossali. "Sebbene la catena e il nanotubo siano elettronicamente isolati e quindi non si scambino elettroni, sono soggetti a un accoppiamento inaspettatamente forte tra le vibrazioni delle due nanostrutture", spiega Emil Parth dell'Università di Vienna, autore principale dello studio pubblicato su Nature Communications. In altre parole, il carbyne e il nanotubo si parlano elettronicamente, mentre allo stesso tempo sono elettronicamente isolati in senso classico. Questo accoppiamento quantomeccanico delle vibrazioni è solitamente trascurabile, ma in questo caso particolare è straordinariamente forte a causa delle proprietà elettroniche intrinseche e dell'instabilità strutturale della catena.
È questo che rende la catena così interessante, poiché reagisce fortemente alle influenze esterne. Pertanto, interagisce fortemente con il nanotubo che la circonda. Il nuovo studio dimostra che questa interazione non è sorprendentemente unilaterale, poiché il carbyne modifica anche le proprietà del nanotubo, sebbene in modo diverso da quanto ipotizzato in precedenza. "La sensibilità del carbyne alle influenze esterne è fondamentale per la sua potenziale applicazione in materiali e dispositivi futuri come sensore ottico senza contatto su scala nanometrica, ad esempio come sensore di temperatura locale per misurare il trasporto di calore", conclude Thomas Pichler, responsabile del gruppo di ricerca dell'Università di Vienna.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Emil Parth, Andrea Corradini, Weili Cui, Davide Romanin, Christin Schuster, Clara Freytag, Lei Shi, Kazuhiro Yanagi, Matteo Calandra, Thomas Pichler; "Anharmonic effects control interaction of carbyne confined in carbon nanotubes shaping their vibrational properties"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-26
Altre notizie dal dipartimento scienza
