Una migliore tecnica di microscopia svela i segreti magnetici precedentemente ben custoditi dei materiali intelligenti
I materiali intelligenti o funzionali, che rappresentano l’ultima rivoluzione nell’ambito della scienza dei materiali, sono in grado di adattare le proprie proprietà fisiche o chimiche a seconda dei cambiamenti nelle loro vicinanze. Essi costituiscono la roccaforte della società moderna poiché adornano tutti i dispositivi moderni, da smartphone e computer a satelliti e automobili. Finora, le aziende produttrici di dispositivi elettronici si sono avvalse della rinomata legge di Moore per la realizzazione delle nuove generazioni di chip sempre più piccoli, densi e potenti. I circuiti integrati in silicio sono alla base di quasi ogni elemento del mondo digitale. Tuttavia, le prestazioni dei dispositivi a base di silicio raggiungeranno presto il proprio limite. «Al momento, si stanno prendendo in considerazione alcune nuove classi di materiali funzionali per sostituire il silicio quando smetterà di produrre risultati efficaci per circuiti integrati sempre più piccoli», osserva Magnus Nord, professore associato presso il dipartimento di fisica dell’Università norvegese di scienza e tecnologia. «I materiali magnetici si dimostrano una classe preminente di materiali provvisti di varie capacità intelligenti. La loro risposta magnetica a un campo magnetico esterno li rende idonei all’uso in diverse applicazioni, tra cui archiviazione di dati, comunicazione e sensori. Per la progettazione di questo tipo di dispositivi spesso realizzati con materiali magnetici complessi, occorre comprendere in che modo funzionano su nanoscala. Una volta su questa scala, l’affascinante mondo della meccanica quantistica esercita un maggiore controllo», spiega Nord.
Abbattere gli ostacoli all’immaginografia su nanoscala delle proprietà funzionali
La mancanza di tecniche sperimentali appropriate per l’analisi delle intriganti proprietà magnetiche su nanoscala impedisce ai materiali magnetici di sortire un impatto superiore. Nell’ambito di MAGIMOX, un progetto intrapreso grazie al sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, Nord, pur lavorando presso l’Università di Anversa, si è dedicato all’ampliamento delle capacità della microscopia elettronica a trasmissione di scansione (STEM, Scanning Transmission Electron Microscopy) a segmenti non ancora sfruttati in precedenza. «La STEM è una tecnica per immagini potente che riesce a visualizzare accuratamente le colonne atomiche singole presenti in un materiale. Ciononostante, questa tecnica non si presta allo studio delle proprietà funzionali dei materiali, bensì della loro struttura», osserva Nord. «Sebbene i rilevatori STEM pixelati ci abbiano permesso di visualizzare in modo diretto i campi magnetici nei materiali, esiste ancora un ampio margine di miglioramento, in particolare nella loro capacità di funzionare pressoché sulla maggior parte degli strumenti STEM e in una vasta gamma di materiali.» Il gruppo del progetto ha ottimizzato numerosi algoritmi di elaborazione dei dati per esaminare le transizioni di fase magnetiche a pellicole sottili di ossidi di perovskite, una classe speciale di materiali che presenta una grande varietà di proprietà funzionali. Tutti gli aggiornamenti relativi al codice sono stati inclusi in pyxem, una libreria software Python open-source. Inoltre, gran parte del lavoro è stato indirizzato alla taratura e all’allineamento della STEM. L’ottimizzazione dell’allineamento è ritenuta altamente necessaria quando la lente principale viene disattivata durante il funzionamento, condizionando fortemente l’ottica elettronica del sistema di microscopia. Oltre a indagare le proprietà magnetiche dell’ossido di perovskite a pellicola sottile La0.7Sr0.3MnO3 i ricercatori hanno compiuto grandi passi avanti nello studio delle transizioni di fase strutturali in un’altra classe di materiali funzionali in ossido prontamente disponibili che sono stati sottoposti a riscaldamento. Gli algoritmi migliorati di elaborazione dei dati hanno permesso l’analisi delle transizioni di fase strutturali su una serie più ampia di strumenti STEM e in campi visivi molto più grandi. I materiali intelligenti potrebbero avere appena iniziato a fare capolino dalla sfera del laboratorio, eppure dispongono di una miriade di applicazioni potenziali che trascendono l’ambito principale dell’elettronica quali attuatori, strutture per velivoli e sistemi di somministrazione dei farmaci. Portarne alla luce il funzionamento su nanoscala potrebbe innescare un moto di innovazione in tutti i tipi di applicazioni del genere.
Parole chiave
MAGIMOX, STEM, ossido di perovskite, microscopia elettronica a trasmissione di scansione, materiali intelligenti, algoritmi di elaborazione dei dati, transizioni di fase, proprietà magnetiche
