Ricercatori dell’istituto SPIN del Consiglio Nazionale delle Ricerche in collaborazione con l’Università degli Studi di Genova e l’Istituto di Ricerca Scientifica e Industriale dell’Università di Osaka hanno presentato un prototipo di nanoattuatore planare attivato termicamente.
Il risultato, pubblicato sulla rivista Nano Letters, consente di pensare alla realizzazione di sistemi micro e nanomeccanici più complessi dove sono richiesti grandi valori di spostamento e forza applicata.
Il dispositivo funziona grazie all’utilizzo di un film sottile di biossido di vanadio (VO2), un materiale che - attorno alla temperatura di 65 gradi centigradi - è in grado di “espandersi” o “contrarsi” ed essere, quindi, utilizzato per compiere lavoro meccanico. Tale transizione è reversibile, e possiede intrinsecamente un’elevata densità di energia, mettendo questo materiale in competizione con le più note leghe a memoria di forma (es. NiTi), la cui integrazione alla nanoscala è soggetta ad alcuni limiti. “un cristallo di VO2 durante la sua transizione di fase mostra un cambiamento dei passi reticolari di circa 0.25%, in particolare nei monocristalli è possibile arrivare a quasi l’1 % lungo una direzione cristallografica, questo valore è enorme considerando che un metallo convenzionale si espanderebbe di circa 0.02% per la stessa variazione di temperatura. La transizione è inoltre completamente reversibile” spiega Nicola Manca, ricercatore Cnr-Spin tra gli autori dello studio.
Il dispositivo di tipo “Chevron” è realizzato con tecniche combinate di nanolitografia e deposizione laser pulsata che consentono la realizzazione di bracci meccanici ad elevato rapporto di aspetto spessore/larghezza, in modo da far sì che il movimento dei bracci stessi sia sul piano, limitando l’incurvatura della struttura fuori dallo stesso. “La transizione di fase strutturale nei film sottili di VO2 avviene per domini cristallini. A seconda della qualità strutturale dei film, i domini possono presentare orientazioni spaziali diverse ed essere ingegnerizzati per agire in maniera sinergica al movimento di strutture più complesse. Il nostro approccio si basa sulla realizzazione di sistemi MEMS o NEMS interamente basati su ossidi cristallini. Questo ci consente di controllare l’orientazione cristallografica dei film di VO2, ottenendo una maggiore efficienza e controllo dell’attuazione meccanica”, afferma Daniele Marré dell’Università di Genova, associato a Cnr-Spin e coautore del lavoro. “Questo dispositivo può essere considerato come elemento base in strutture meccaniche di tipo planare più complesse, come ad esempio micropinze o interruttori optomeccanici, realizzabili con tecniche di tipo top-down ed attuati termicamente a distanza tramite luce laser focalizzata. Non escludiamo in futuro anche la possibilità di sviluppare dispositivi che operino in ambiente liquido, aprendo così nuove prospettive applicative.”, dice Luca Pellegrino, Cnr-Spin e coordinatore italiano del progetto bilaterale Italia-Giappone “Solid State Actuators for Micro/Nanorobotics” finanziato dal Ministero degli Affari Esteri e della Cooperazione Internazionale (www.vo2actuators.spin.cnr.it). Il lavoro ha anche ottenuto il finanziato del Cnr nell’ambito del progetto bilaterale di ricerca congiunto Cnr-Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) 2018-2019 “Domain Manipulation in VO2 Freestanding Nanomechanical Structures”
Nicola Manca, Teruo Kanki, Fumiya Endo, Daniele Marré, and Luca Pellegrino “Planar Nanoactuators Based on VO2 Phase Transition”, Nano Letters, https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02638 (2020)
