I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato una tecnica innovativa per lo studio delle superfici, un’area cruciale ma complessa nella scienza dei materiali. Questo metodo, basato sull’utilizzo di una membrana d’oro ultrafine, promette di rivoluzionare la caratterizzazione delle superfici in molti ambiti tecnologici.
Un team interdisciplinare di scienziati dei materiali e ingegneri elettrici, guidato dal professor Lukas Novotny dell’ETH di Zurigo, insieme ai colleghi dell’Università Humboldt di Berlino, ha sviluppato un metodo che semplifica significativamente la caratterizzazione della superficie. I risultati della loro ricerca, basata sull’utilizzo di una membrana d’oro estremamente sottile, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Communications.
Roman Wyss, già dottorando in Scienza dei materiali e primo autore dell’articolo, sottolinea l’importanza delle superfici: “Che si tratti di catalizzatori, celle solari o batterie, le superfici sono sempre estremamente importanti per la loro funzionalità».
In effetti, i processi importanti si svolgono generalmente nelle interfacce. Per i catalizzatori, si tratta di reazioni chimiche accelerate sulla loro superficie. Nelle batterie, le proprietà superficiali degli elettrodi sono cruciali per la loro efficienza e il comportamento al degrado.
Per molti anni, il Spettroscopia Raman viene utilizzato per esaminare le proprietà dei materiali in modo non distruttivo. Tuttavia, la sua applicazione alle superfici presenta notevoli limitazioni. Sebastian Heeg, che ha contribuito agli esperimenti come borsista post-dottorato nel gruppo di Lukas Novotny, spiega: “La luce laser penetra nel materiale per diversi micrometri, quindi lo spettro di frequenza è influenzato principalmente dal volume del materiale e solo in minima parte dalla sua superficie, che comprende solo pochi strati atomici».
Per sfruttare la spettroscopia Raman anche per le superfici, i ricercatori dell’ETH hanno sviluppato una speciale membrana d’oro dello spessore di soli 20 nanometri, contenente pori allungati di circa 100 nanometri. Quando questa membrana viene trasferita su una superficie da studiare si verificano due fenomeni: in primo luogo la membrana impedisce al raggio laser di penetrare nel volume del materiale. In secondo luogo, nelle posizioni dei pori, la luce laser viene focalizzata e riemessa solo per pochi nanometri nella superficie.
Sebastian Heeg aggiunge: «I pori agiscono come antenne plasmoniche, simili all’antenna di un telefono cellulare“. L’antenna amplifica il segnale Raman dalla superficie fino a mille volte rispetto al segnale della spettroscopia Raman convenzionale senza membrana. Questa amplificazione è stata dimostrata su diversi materiali, tra cui silicio deformato e ossido di nichel lantanio (LaNiO3), un cristallo di perovskite.
Il silicio deformato, importante per le applicazioni nelle tecnologie quantistiche, finora non poteva essere analizzato mediante la spettroscopia Raman a causa del rumore di fondo della misurazione. Dopo aver applicato la membrana d’oro, il segnale di deformazione era amplificato selettivamente al punto in cui può essere chiaramente distinto dagli altri segnali Raman nel materiale.
Mads Weber, ex ricercatore post-dottorato presso l’ETH di Zurigo e ora assistente professore presso l’Università di Le Mans, sottolinea l’importanza di questo metodo per lo studio delle perovskiti metalliche come l’ossido di lantanio e nichel. Utilizzando il nuovo metodo della membrana d’oro, i ricercatori sono riusciti, per la prima volta, ad accedere alla struttura superficiale di questo materiale.
Sebastian Heeg sottolinea l’aspetto sostenibile di questo approccio: “Il nostro approccio è interessante anche dal punto di vista della sostenibilità, perché le apparecchiature Raman esistenti possono acquisire funzionalità completamente nuove senza troppi sforzi».
In futuro, sperano i ricercatori migliorare ulteriormente il loro metodo e adattarlo alle richieste degli utenti. Ad esempio, producendo una membrana d’oro con pori di uguali dimensioni e allineati parallelamente, il metodo potrebbe essere ottimizzato per materiali specifici, migliorando ulteriormente la potenza del segnale Raman di un fattore cento.
Didascalia dell’illustrazione: I pori della membrana d’oro sviluppata dai ricercatori dell’ETH amplificano il raggio laser nella spettroscopia Raman, permettendogli di penetrare solo nella superficie (grigio chiaro) ma non nella maggior parte del materiale (grigio scuro). (Illustrazione: Scixel)
Wyss RM, Kewes G, Marabotti P et al. Scattering Raman bulk-suppressed e surface-sensitive mediante membrane plasmoniche trasferibili con nanopori irregolari a forma di fessura. Nature Communications 15, 5236 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49130-2
