Un elettrone (rosso) lungo un nanotubo di carbonio è 'legato' alla buca (blu) che si lascia dietro e forma un eccitone.

Uno studio Cnr rivela che in questi cilindri ottenuti arrotolando il grafene, con raggio di pochi nanometri e lunghi quanto il diametro di un capello, si realizza l’isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo convincente. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, aiuta a far luce sulla natura isolante o conduttiva dei nanotubi di carbonio

Ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) hanno mostrato che nei nanotubi di carbonio si realizza spontaneamente un nuovo stato quantistico della materia, detto isolante eccitonico, predetto mezzo secolo fa dal premio Nobel Walter Kohn e finora mai confermato in modo definitivo. Lo studio, condotto in collaborazione con Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), Istituto officina dei materiali (Iom-Cnr) e Istituto struttura della materia (Ism-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche, è stato pubblicato su Nature Communications.

I nanotubi di carbonio sono cilindri ottenuti dal grafene, materiale bidimensionale composto da un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo che, una volta arrotolato, forma tubi con raggio di pochi nanometri (un nanometro è pari a un miliardesimo di metro) e lunghi quanto il diametro di un capello. Finora il comportamento di una classe importante di nanotubi, in grado di condurre corrente elettrica, si spiegava supponendo che gli elettroni degli atomi di carbonio si muovessero facilmente e indipendentemente uno dall’altro per tutta la lunghezza, cioè che il materiale si comportasse come un metallo. I ricercatori di Nano-Cnr hanno invece dimostrato che quando un elettrone abbandona un atomo di carbonio non si muove liberamente ma si lega con la buca che lascia dietro di sé, formando una particella composita fatta dall’elettrone e dalla buca, detta eccitone.

Dettaglio del setup sperimentale del laboratorio di fotonica avanzata nel centro Nanotec-Cnr di Lecce. A destra, progressiva formazione ed estensione della fase ordinata di un condensato di luce.

Una ricerca condotta dai ricercatori dell’Istituto di nanotecnologia del Cnr rivela la formazione spontanea di ordine topologico in un sistema fotonico. In pratica, le interazioni sono in grado di 'sintonizzare' spontaneamente i fotoni fra loro, neutralizzando la dissipazione energetica. Il lavoro, pubblicato su Nature Materials, contribuisce all’espansione del moderno campo di ricerca in fluidi quantistici di luce

Uno studio condotto recentemente dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Nanotec-Cnr) di Lecce rivela che i fotoni, ovvero particelle di luce, si possono ‘sintonizzare’ spontaneamente fra loro, quando l’interazione è sufficientemente forte, formando ordine là dove non ce ne dovrebbe essere. Questo significa che uno dei risultati più importanti della fisica del secolo scorso, ovvero la scoperta di un ordine ‘topologico’ della materia, premiato dal Nobel 2016, viene esteso a sistemi fatti di luce e potrebbe diventare la base per future tecnologie. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Materials.

“La meccanica statistica pone condizioni precise affinché queste ‘transizioni di fase’ possano essere osservate in natura. Una transizione di fase avviene quando, al variare di un parametro (di solito la temperatura) cambiano improvvisamente le relazioni fra i costituenti elementari di un sistema”, spiega Daniele Sanvitto, coordinatore del gruppo di fotonica avanzata del Nanotec-Cnr di Lecce. “Per esempio, nel passaggio da una fase più ordinata (liquido) ad una più disordinata (gassoso), oppure nell’emergere di un ordine reticolare nei cristalli o nell’allineamento dei campi magnetici microscopici in un ferromagnete. Ciò è vero anche a livello quantistico: in un condensato di Bose-Einstein, ogni atomo diventa indistinguibile dagli altri al di sotto di una certa temperatura. Ma le transizioni di fase dipendono fortemente dalla dimensionalità del sistema e in sistemi bidimensionali, ovvero confinati in uno spazio a sole due dimensioni, le fasi ordinate sono instabili anche a temperature molto basse favorendo la formazione di strutture disordinate. In questi sistemi esiste però una fase particolare chiamata ‘ordine topologico’, in cui le irregolarità di segno opposto si neutralizzano a vicenda, simmetricamente, e rimangono localizzate in punti spaziali relativamente piccoli, annullando gli effetti a lunga distanza”.

Pubblicato su Science uno studio che svela i meccanismi catalitici del nichel nella crescita di fogli di grafene. La ricerca, realizzata da Iom-Cnr e Università di Trieste, apre nuove strategie per migliorare la produzione a livello industriale di questo materiale dalle molteplici virtù

Il grafene è un materiale bidimensionale, composto da uno strato di atomi di carbonio, quindi sottilissimo ma anche flessibile come la plastica e con una resistenza meccanica cento volte superiore all’acciaio. Per questo è considerato praticamente perfetto per molteplici usi nel campo industriale e tecnologico, tuttavia la difficoltà di produzione ne rende l’utilizzo estremamente costoso. Uno studio condotto dall’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Trieste (Iom-Cnr) e dal dipartimento di Fisica dell’Università degli studi di Trieste, ora pubblicato su Science, individua il meccanismo di accrescimento del grafene sulla superficie di un comune metallo, il nichel, aprendo nuove possibilità nelle tecnologie di produzione. “Sappiamo che sulle superfici metalliche sono presenti singoli atomi, liberi di muoversi agilmente e che partecipano a molti dei processi che avvengono sulle superfici stesse”, spiega Cristina Africh, dell’Iom-Cnr. “Nel nostro studio abbiamo evidenziato che, in un campione di nichel utilizzato per la generazione di grafene, sono proprio gli atomi liberi del nichel ad agire da catalizzatori, facilitando il processo di formazione del grafene”.

Immagine: Reticolo di Bragg in fibra - Credits: Maria Konstantaki, Foundation of Research and Technology – Hellas 

I reticoli di Bragg in fibra vengono utilizzati per trasformare una fibra ottica in un elemento sensibile in grado di riflettere una specifica lunghezza d'onda nella direzione da cui proviene. I nuovi reticoli di Bragg in fibra ottica bioriassorbibile possono essere utilizzati come sensori nel corpo e sono sicuri anche se la fibra dovesse rompersi accidentalmente all'interno del corpo del paziente.

Una nuova generazione di sensori ottici che hanno la capacità di dissolversi completamente all'interno del corpo umano in maniera controllata e senza effetti collaterali, grazie all’impiego dei cosiddetti “reticoli di Bragg in fibra” (Fiber Bragg Gratings, abbreviati con FBG). Il lavoro di ricerca pubblicato sulla rivista scientifica Optics Letters è stato realizzato da un team internazionale composto da ricercatori del Centro Interdipartimentale PhotoNext del Politecnico di Torino e dell’Istituto Superiore Mario Boella (Torino) in collaborazione con i ricercatori dell’Institute of Electronic Structure and Laser (IESL) della Foundation of Research and Technology – Hellas (FORTH), di Creta.

La ricerca segna un passo avanti importante nello sviluppo di sensori ottici impiantabili, combinando le caratteristiche uniche di una fibra di vetro progettata per essere bioriassorbibile e gli FBG, che funzionano da sensori ottici di temperatura e deformazione. Questi ultimi sono solitamente impiegati per applicazioni quali il monitoraggio delle strutture dei ponti o dell'integrità delle ali di un aeroplano, ma il loro impiego in ambito biomedicale è reso difficile a causa dei materiali usati nelle fibre ottiche standard. Questo perché le fibre ottiche tradizionali a base di silicio se si rompono all’interno del corpo possono causare infiammazioni locali acute molto gravi e non sono rimovibili.