I ricercatori hanno compiuto un passo avanti significativo nella scienza dei materiali creando nanotubi metallici stabili dal disolfuro di niobio, un’impresa a lungo considerata sfuggente. L’ingrediente chiave inaspettato? Sale da cucina ordinario. Questa scoperta, pubblicata su ACS Nano, apre le porte a un’elettronica più veloce, a cavi superconduttori e potenzialmente anche a futuri computer quantistici.
I nanotubi sono minuscoli cilindri di atomi arrotolati, migliaia dei quali potrebbero adattarsi a un capello umano. Le loro dimensioni e struttura uniche conferiscono loro proprietà straordinarie rispetto ai tradizionali materiali sfusi. Possono essere più resistenti dell’acciaio ma più leggeri della plastica, condurre l’elettricità in modo efficiente con una resistenza minima, trasferire il calore in modo efficace e persino mostrare effetti quantistici insoliti.
Queste caratteristiche hanno reso i nanotubi elementi costitutivi molto ricercati per le tecnologie avanzate. Tuttavia, gli sforzi precedenti si erano concentrati principalmente sulla creazione di nanotubi da carbonio (semiconduttore o semimetallo) e nitruro di boro (isolante). La realizzazione di nanotubi metallici, che si comportano diversamente a livello atomico, si è rivelata particolarmente impegnativa.
I nanotubi metallici sono estremamente promettenti grazie al loro potenziale di mostrare superconduttività – consentendo all’elettricità di fluire con resistenza zero – e magnetismo. “Questi gusci possono, in linea di principio, mostrare fenomeni come la superconduttività e il magnetismo, che sono impossibili nelle versioni isolanti o semiconduttrici”, spiega Slava V. Rotkin, professore di ingegneria e meccanica e ricercatore capo alla Penn State. “I precedenti tentativi con i nanotubi di carbonio non hanno raggiunto queste proprietà a causa dell’insufficiente densità elettronica.”
Il team si è concentrato sul disolfuro di niobio, un metallo noto per la sua superconduttività in forma sfusa. Sono riusciti a trasformare questo metallo in tubi incredibilmente sottili – larghi miliardesimi di metro – avvolgendolo attorno a modelli realizzati con nanotubi di carbonio e nitruro di boro.
Questo processo di modellatura si è rivelato un passo avanti fondamentale: normalmente, il disolfuro di niobio preferisce formare fogli piatti.
La soluzione inaspettata? Una minuscola aggiunta di sale da cucina in un punto preciso del processo di crescita. “In un certo senso, era come l’alchimia”, dice Rotkin. “Aggiungi questo minuscolo ingrediente e all’improvviso la reazione cambia. Senza sale, il disolfuro di niobio si appiattisce; con esso avvolge il nanotubo e forma i gusci di cui abbiamo bisogno.”
Ulteriori sorprese sono emerse durante l’osservazione. Invece di formare principalmente tubi a strato singolo, questi nanotubi preferivano una struttura a doppio guscio, simile alle cannucce annidate.
Rotkin postula che questa formazione insolita sia guidata dall’attività elettrica tra gli strati. “Con due strati, gli elettroni possono saltare dall’uno all’altro”, spiega, “agendo come un condensatore di dimensioni atomiche che stabilizza l’intera struttura”. I modelli computazionali supportano questa teoria.
Questa forma arrotolata unica affronta anche una sfida persistente nel lavorare con materiali 2D piatti. Per creare nanofili da questi fogli, gli scienziati utilizzano tipicamente la litografia, simile all’incisione di modelli su chip di silicio. Tuttavia, su scale così minuscole, l’intaglio lascia bordi frastagliati che interrompono le proprietà del materiale.
“Se lo arrotoli”, osserva Rotkin, “hai un guscio senza legami penzolanti. Il diametro del guscio ti dice esattamente quale sarà il comportamento. I nanotubi sono molto meno casuali dei nanofili tagliati da fogli bidimensionali.” Questa precisione potrebbe rendere i nanotubi metallici preziosi per applicazioni che richiedono prestazioni affidabili su scala nanometrica.
Sebbene la ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali, questa prova di concetto offre uno sguardo su possibilità entusiasmanti. “Questi sono i primi risultati”, afferma Rotkin, “ma mostrano che possiamo coltivare nanotubi metallici e iniziare a comprenderne la stabilità. Da qui, possiamo iniziare a pensare a come integrarli nelle tecnologie”.
Il progetto sottolinea il potere della collaborazione internazionale. “Questo non è un lavoro che può essere svolto in isolamento”, sottolinea Rotkin. “Ci vuole un team con competenze diversificate e ho avuto la fortuna di far parte di un team del genere.”
La ricerca futura potrebbe aprire la strada a cavi superconduttori che consentano un’elettronica più veloce, oltre a esplorare applicazioni nell’informatica quantistica, tecnologie che si basano sullo sfruttamento delle proprietà uniche dei materiali su scala nanometrica
