Nuovi metodi computazionali per studiare materiali speciali
Gli ultimi anni hanno registrato un notevole aumento degli studi sulle proprietà elettroniche di nuovi materiali, in particolare quando sono eccitati dalla radiazione elettromagnetica. L’obiettivo principale è stato esplorare le proprietà del grafene o dei nano-oggetti come nanofili, nanotubi o nanolamine, in modo che possano essere progettati correttamente per evidenziare le proprietà ottiche desiderate. Spinto dalle promettenti proprietà che appaiono su piccola scala, il progetto QHYDRO, finanziato dall’UE, ha sviluppato nuovi metodi e modelli per studiare la dinamica quantistica dei nano-oggetti in altri materiali non comuni. Le nuove tecniche sono simili a quelle utilizzate per studiare la fisica di fluidi e gas. L’efficienza incontra la semplicità La moderna tecnologia consente la produzione di molti tipi di nano-oggetti in grandi quantità. «I materiali speciali includono oggetti estremamente piccoli la cui dimensione si avvicina al milionesimo di millimetro (nanometro). È circa 20 volte più grande di un atomo di idrogeno», osserva Giovanni Manfredi, il borsista Marie Curie che ha guidato QHYDRO. Comprendere e simulare processi dinamici su scala nanometrica spesso richiede costosi strumenti computazionali che si eseguono su computer su larga scala. Finora, la teoria di Mie sembrava essere il modello ideale per descrivere le proprietà ottiche delle nanoparticelle. Tuttavia, il suo limite più forte è che trascura gli effetti quantici, che possono essere cruciali per nano-oggetti molto piccoli. Altri metodi standard che i ricercatori hanno utilizzato per studiare la risposta elettronica alla radiazione elettromagnetica includono la teoria funzionale della densità dipendente dal tempo o la teoria di Hartree-Fock, che richiedono entrambe molto tempo di esecuzione e capacità di stoccaggio. QHYDRO ha sviluppato e implementato metodi computazionali avanzati che sono abbastanza semplici da essere eseguiti su computer standard. Nonostante la loro semplicità, contengono informazioni sufficienti che dovrebbero consentire agli scienziati di fornire ulteriori informazioni sulla risposta elettronica dei materiali agli impulsi elettromagnetici o alle correnti elettriche. I nuovi metodi non si basano sul modello di Mie, ma permettono lo studio di geometrie più complesse e realistiche come quelle formate da reti di nanoparticelle interagenti. In particolare, i ricercatori si sono concentrati sull’esplorazione delle proprietà dell’allotropo di carbonio e dei nano-oggetti metallici. Il primo materiale studiato è stato il fullerene C60. Si tratta del tipo più famoso di fullerene e consiste in 60 atomi di carbonio disposti in un poliedro. «Una cosa che caratterizza i fullereni è il loro nucleo cavo, che conferisce al materiale straordinarie proprietà elettroniche quando irradiato dalla luce. In una certa misura, assorbono e riflettono la luce come i metalli», spiega Manfredi. Il team del progetto ha anche studiato nanolamine di sodio e oro. A differenza dei fullereni, si tratta di nano-oggetti più grandi il cui diametro oscilla tra 10 e 100 nm. Potenziali applicazioni I nanomateriali con proprietà utili sono particolarmente allettanti per le applicazioni di calcolo e di elettronica ad alte prestazioni. «I nano-oggetti sono speciali perché si trovano al confine tra il mondo macroscopico e quello quantico, dove regnano la fisica classica newtoniana e la meccanica quantistica», osserva Manfredi. Hanno il potenziale per elaborare, trasmettere e archiviare maggiori quantità di informazioni, nonché sviluppare robusti filtri e guide d’onda, rispettivamente. Possono anche contribuire ai progressi della medicina, agendo come vettori nella somministrazione di farmaci, migliorando la radioterapia, offrendo una diagnosi medica più rapida e consentendo di realizzare sensori biomedici migliori.
Parole chiave
QHYDRO, nano-oggetto, fullerene, elettromagnetico, metodo computazionale, nanolamina, fluido, dinamica quantistica