I nanoribbon di grafene sopravvivono alle radiazioni gamma, rivelando potenziali sensori per i reattori a fusione

Una svolta nella scienza dei materiali è emersa dall'Università dell'Arizona, dove i ricercatori hanno scoperto che i nanoribbon di grafene (GNR) possono sopportare l'esposizione alle radiazioni gamma mantenendo la loro integrità strutturale e rispondendo elettricamente. Questa scoperta apre la porta all'uso di questi nanomateriali come potenziali sensori in ambienti ad alta radiazione come i reattori a fusione e le missioni nello spazio profondo.

Lo studio, condotto da Zafer Mutlu, professore assistente di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università dell'Arizona College of Engineering, ha coinvolto l'integrazione di GNR in dispositivi semiconduttori e sottoponendoli a radiazioni gamma. Secondo i risultati, i nanoribbon sono sopravvissuti all'esposizione e hanno continuato a rispondere elettricamente, anche se le loro prestazioni sono cambiate in modo significativo. Mutlu ha spiegato che questo cambiamento di prestazioni è precisamente il tipo di reazione desiderato da un sensore.

L'energia da fusione, spesso salutata come una fonte di energia quasi illimitata e pulita, affronta diversi ostacoli tecnologici, tra cui la necessità di metodi affidabili per monitorare le condizioni della prima parete di un reattore. Questo componente, che separa il plasma surriscaldato dalla struttura del reattore, si deteriora nel tempo a causa di radiazioni intense.

L'uso di sensori basati su GNR potrebbe consentire un monitoraggio più diretto e continuo, riducendo potenzialmente la frequenza di costosi arresti e prolungando i periodi operativi per le centrali elettriche a fusione. Il team di ricerca ha fabbricato i GNR a livello molecolare utilizzando tecniche avanzate sviluppate da Mutlu. Questi nastri sono stati progettati per avere esattamente nove atomi di larghezza, uno di spessore e circa 45 nanometri di lunghezza, molto più sottili di un capello umano.

Tuttavia, quando sono esposti alle radiazioni gamma, le molecole reattive generate nell'aria circostante interagiscono con i bordi dei nastri, alterando leggermente le loro proprietà senza influire sulla loro struttura complessiva. Queste sottili alterazioni a livello quantistico portano a un fenomeno noto come localizzazione di Anderson, in cui gli elettroni portatori di carica vengono intrappolati, con conseguente brusca riduzione della conducibilità elettrica. I ricercatori ritengono che questo effetto potrebbe essere sfruttato per creare sensori altamente sensibili in grado di rilevare anche lievi cambiamenti nei livelli di radiazione. Tali sensori fornirebbero dati preziosi sulla salute dei componenti del reattore, consentendo strategie di manutenzione proattive.

Al di là delle loro potenziali applicazioni nell'energia di fusione, i GNR vengono esplorati per il loro ruolo nell'avanzamento delle tecnologie elettroniche. Le loro proprietà uniche, tra cui eccezionale resistenza e stabilità termica, li posizionano come alternative valide ai semiconduttori tradizionali come il silicio. Man mano che la tecnologia dei chip si avvicina ai suoi limiti fisici, materiali come i GNR potrebbero consentire dispositivi di calcolo più veloci ed efficienti, dagli smartphone ai sistemi di intelligenza artificiale. Le implicazioni di questa ricerca si estendono oltre le impostazioni di laboratorio. Se implementati con successo, i sensori basati su GNR potrebbero rivoluzionare il modo in cui le industrie gestiscono e monitorano le apparecchiature in ambienti ad alta radiazione.

Ciò include non solo i reattori nucleari ma anche i veicoli spaziali che navigano nel cosmo, dove le radiazioni rappresentano una minaccia costante per l'elettronica di bordo. La capacità di dispiegare sensori resistenti e reattivi in tali condizioni potrebbe migliorare la sicurezza e l'affidabilità in più settori. Sono necessari ulteriori studi per perfezionare l'integrazione dei GNR nei progetti di sensori pratici e per valutare le loro prestazioni a lungo termine sotto esposizione a radiazioni sostenute. I ricercatori sono ottimisti sul fatto che la continua esplorazione di questi nanomateriali produrrà innovazioni che affrontano alcune delle sfide più urgenti sia nella produzione di energia che nell'esplorazione spaziale.