Il team di ricercatori di Jena riceve il Premio di Ricerca Turingiano

I vincitori del Premio di Ricerca della Turingia: Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George e Dr. Christof Neumann (da sinistra a destra) © Nicole Nerger | Università di Jena

Come gli strati atomici, i materiali 2D cambiano drasticamente le loro proprietà. © Nicole Nerger | Università di Jena / As atomic layers, 2D materials drastically change their properties. © Nicole Nerger | Università di Jena

Il processo sviluppato consente una produzione compatibile con l'industria e scalabile di materiali 2D personalizzati. © Nicole Nerger | Università di Jena / The developed process enables industry-compatible and scalable production of customized 2D materials © Nicole Nerger | Universität Jena

Materiali 2D © Università di Jena / Materiali 2D © Università di Jena

Per la ricerca sui materiali 2D su misura, è stata premiata una squadra di quattro scienziati dell'Università Friedrich-Schiller di Jena e dell'Istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e la microtecnica IOF con il Premio alla Ricerca Turingia. La cerimonia di consegna del riconoscimento per eccellenze scientifiche nella categoria »Ricerca Applicata« si è svolta oggi presso il Politecnico di Ilmenau ed è dotata di 25.000 euro.

Centomila volte più sottile di un capello, più resistente dell'acciaio e mediatori efficienti tra luce e corrente – i cosiddetti materiali 2D sono una classe di materiali in rapido sviluppo con proprietà uniche e grande potenziale applicativo.

Per la loro ricerca su questi materiali 2D, i ricercatori dell'Università di Jena e dell'IOF Fraunhofer sono stati ora premiati con il Premio alla Ricerca Turingia. La cerimonia di consegna, del valore di 25.000 euro, si è svolta il 18 giugno presso il TU di Ilmenau. I vincitori – Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George, Dr. Christof Neumann e Dr. Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF) – hanno sviluppato una serie di metodi innovativi per produrre e rendere utilizzabili materiali 2D su misura per applicazioni fotoniche, elettroniche e optoelettroniche.

Un soffio di nulla

I materiali 2D studiati rappresentano una nuova classe di materiali costituiti da uno o pochi strati atomici – un soffio di nulla. La loro particolarità: modificano drasticamente le proprie proprietà rispetto ai materiali tridimensionali di partenza. Un noto nanomateriale è il grafene. Un materiale 2D ottenuto isolando strati di grafite di pochi nanometri di spessore. Nella sua forma atomica, è molto più resistente e conduttivo rispetto al materiale di partenza, la grafite, che conosciamo ad esempio dai matite tradizionali.

All'IOF Fraunhofer, Falk Eilenberger, responsabile del dipartimento di ottica micro- e nanostrutturata, ha studiato e caratterizzato anche la classe di materiali correlati degli dichalcogenidi di metalli di transizione, brevemente TMD. I TMD si presentano nella loro forma tridimensionale solo come semiconduttori indiretti, limitando le possibilità di applicazione. Tuttavia, come materiale 2D, il composto si trasforma in un semiconduttore diretto, capace di convertire efficacemente corrente in luce e viceversa.

Produzione scalabile apre nuove potenzialità applicative

Finora, i materiali 2D sono stati ottenuti tramite »sfaldamento« di cristalli tridimensionali. Come quando si stacca un'impronta digitale con del nastro adesivo, vengono rimossi strato per strato i cristalli. Un processo laborioso e inadatto all'industria, che finora ha limitato le possibilità di applicazione dei materiali.

I ricercatori di Jena si sono concentrati su un metodo che consente la produzione compatibile con l'industria di materiali 2D su misura. Utilizzano così il cosiddetto deposito in fase gassosa, in cui il cristallo cresce su una piastra di silicio o vetro come un tappeto – un tappeto di nanometri di spessore.

»Grazie a questa nuova tecnica, siamo riusciti non solo a produrre in modo efficiente i materiali 2D, ma anche a farli crescere in modo scalabile come componenti funzionali su dispositivi ottici«, spiega il Dr. Eilenberger. »In questo modo, possiamo integrare, tra le altre cose, materiali TMD nelle fibre ottiche, aprendo così una serie di nuove possibilità applicative.«

Il LED più piccolo al mondo probabilmente

Inserendo TMD, le fibre ottiche e i chip fotonici possono essere funzionalizzati in modo che non trasmettano solo passivamente la luce, ma la producano, la modificano o la rilevino: una piattaforma ideale, ad esempio, per implementare in modo energeticamente efficiente compiti tradizionali dei chip di computer in modo fotonico. Il team di ricercatori è riuscito inoltre a funzionalizzare il materiale 2D come diodo, sviluppando così probabilmente il LED più piccolo al mondo.

L'integrazione di nanomateriali permette per la prima volta di realizzare componenti elettronici, fotonici e optoelettronici, che sono contemporaneamente estremamente piccoli e potenti. La conversione efficiente di corrente e luce rende i materiali 2D interessanti anche per applicazioni in trasmissione dati, tecnologia delle fotocamere o sistemi di illuminazione. Inoltre, possono essere facilmente integrati con semiconduttori esistenti, aprendo nuove strade nella tecnologia dei semiconduttori.

La luce generata può anche presentare proprietà quantistiche insolite. È quindi adatta non solo al trasporto classico di dati, ma anche alla crittografia quantistica. I componenti ottici con TMD potranno in futuro contribuire anche alla sicurezza quantistica delle reti di comunicazione dati.

Una combinazione unica in Turingia

Il Dr. Eilenberger sottolinea l'ambiente di ricerca speciale in Turingia come chiave del successo del progetto: »Abbiamo qui sul posto una situazione davvero unica, che ha contribuito in modo determinante al successo della nostra iniziativa«, afferma con riferimento alla premiazione. »In Turingia e in particolare a Jena, l'expertise nella fotonica si combina con attrezzature scientifiche eccellenti – sia dal punto di vista del personale che di quello tecnico – e anche con aziende disposte a rischiare, che non esitano di fronte a progetti innovativi«, spiega Falk Eilenberger in riconoscimento della collaborazione con i colleghi Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George e Dr. Christof Neumann dell'Università di Jena.

Con il Premio alla Ricerca Turingia, lo Stato federale premia dal 1995 ogni anno le eccellenze scientifiche delle università e delle istituzioni di ricerca non universitarie della Turingia. I risultati di ricerca più eccellenti di singoli o gruppi di ricerca, nelle categorie di ricerca di base e applicata, vengono premiati con un premio di 25.000 € complessivi e il riconoscimento del premio di ricerca. Il Premio alla Ricerca Turingia è stato consegnato il 18 giugno 2024 presso il Politecnico di Ilmenau.