Innovazione
23/03/2016

Scoperta la formazione di mega cristalli spontanei in materiali ferroelettrici

By: Valeria delle Cave

Le nuove strutture spontanee sono 10000 volte più grande di cristalli ordinari. La ricerca pubblicata su Nature Communications, potrà avere ricadute applicative per le memorie RAM ultrarapide e nella sensoristica.

La materia allo stato solido è costituita da atomi e molecole perfettamente ordinati a distanze inferiori al miliardesimo di metro, che chiamiamo cristalli. Tali strutture sono osservabili grazie a radiazioni, come raggi X o neutroni, che interagiscono con il materiale e ne danno una sorta di fotografia. L’esistenza di strutture geometriche analoghe a quelle dei cristalli, ma di dimensioni molto più grandi, ad oggi si credeva possibile solo se realizzata artificialmente in laboratorio.

Un gruppo di ricercatori della Sapienza, dell’Istituto Italiano di Tecnologia e della Hebrew University of Jerusalem, coordinato da Eugenio Del Re del dipartimento di Fisica della Sapienza, ha scoperto che, all’interno di particolari materiali, possono formarsi in modo spontaneo dei mega-cristalli e questi possono essere osservati con raggi di luce visibile.

I mega-cristalli sono diecimila volte più grandi delle normali strutture simmetriche della materia, ognuno di dimensioni micrometriche, rappresentando uno stato della materia del tutto nuovo. Alla base di questo effetto c’è una classe di materiali, detti ferroelettrici disordinati, le cui proprietà possono variare da punto a punto, dando luogo ad un comportamento collettivo nuovo e a risposte a sollecitazioni esterne inaspettate. I ricercatori hanno messo in luce come questo porta tali materiali ad avere la capacità unica di modellarsi ed auto-organizzarsi su distanze macroscopiche al loro interno.

“Abbiamo osservato un fenomeno fisico sorprendente, assolutamente controintuitivo, – commenta Davide Pierangeli – si tratta di una nuova fase della materia che imita le normali strutture cristalline su scale mesoscopiche, tanto che per studiarla si è utilizzata diffrazione da luce verde.”

“Questa fase ordinata su grande scala presenta inoltre proprietà di polarizzazione non convenzionali – prosegue Eugenio Del Re – che aprono possibilità per l’ingegneria di nuovi stati della materia e per lo sviluppo di tecnologie innovative, come memorie opto-elettroniche strutturate e dispositivi ottici miniaturizzati.”

La micro-strutturazione di materiali ferroelettrici osservata in questo studio apre importanti prospettive sia da un punto di vista fondamentale che applicativo.

I materiali ferroelettrici sono attualmente utilizzati nel campo dell’information technology, in particolare nelle memorie ultra-rapide di ultima generazione, le cosiddette FeRAM, fondamentali per il funzionamento dei controllori di air bags nelle macchine e negli identificatori RFID alla base della cosidetta “Internet of things”. Molte aziende stanno, infatti, investendo nello sviluppo delle FeRAM per sostituire le tecnologie flash RAM, nei computer e cellulari. Nel campo delle tecnologie ottiche, i ferroelettrici consentono il trasferimento di un segnale elettronico in un segnale ottico e sono il componente chiave nei trasmettitori ad alta velocità nelle reti in fibra ottica.

I ferroelettrici sono anche utilizzati nei sensori di vibrazioni, negli estensimetri per determinare la stabilità strutturale dei palazzi, nei sensori anti-incendio, in telecamere agli infrarossi, negli iniettori delle macchine diesel, e perfino nei sistemi di diagnostica medica ad ultrasuoni, dove sono loro a generare e rivelare gli ultrasuoni stessi. In questo caso i mega-cristalli possono essere utilizzati per controllare i segnali emessi e ricevuti, agendo un pò come i fonoassorbenti per le direzioni e le lunghezze d’onda indesiderate