Forskare vid TU Delft har upptäckt en metod för att sträcka och komprimera kvantmaterial med hjälp av vätgas. De demonstrerade denna effekt med hjälp av en liten sträng av ett material som kallas volframtrioxid, som fungerar som en svamp för väte. Forskningen är ett lovande nytt steg i utvecklingen av mikromekaniska resonatorer, som har ett brett utbud av möjliga tillämpningar. De kan användas i bläckstråleskrivare, som sensorer för miljöförhållanden, och som aktiva komponenter i framtidens nanoelektronik.

Kvantmaterial är bland de mest lovande byggstenarna för framtidens smarta enheter. Det som gör dessa material speciella är att de kan styras på begäran av flera externa parametrar, till exempel genom uppvärmning eller kylning, genom att använda en elektrisk ström, eller genom att applicera mekaniskt tryck. De magnetiska och elektroniska egenskaperna hos dessa material kan ofta kontrolleras dynamiskt, leder till utvecklingen av viktiga komponenter som minnen och energiskördande anordningar.

Ett nytt kontrollverktyg

En begränsning av kvantmaterial är att deras mekaniska egenskaper vanligtvis endast kan kontrolleras genom statiska metoder. Detta innebär att när enheten väl är designad och producerad, dess mekaniska egenskaper kan inte ändras. Forskarna Nicola Manca och Giordano Mattoni övervann detta problem genom att använda ett nytt verktyg:vätgas.

Forskarna använde volframtrioxid, ett kristallint material som lätt kan ta emot väte i sitt kristallgitter. "Volframtrioxid absorberar snabbt vätgas, " säger materialexperten Giordano Mattoni. "Detta ger en stor expansion av kristallstrukturen, liknande vad som händer när du lägger en torr svamp i vatten." Processen är helt reversibel och, igen som en svamp, materialet driver ut väte när det utsätts för ren luft. Detta gör det möjligt att kontrollera dess mekaniska egenskaper.

Mikromekanisk resonator

Med hjälp av högkvalitativ materialsyntes och de avancerade nanotillverkningsanläggningarna vid TU Delft, forskarna tillverkade en tunn suspenderad struktur av volframtrioxid:en så kallad mikromekanisk resonator. Strukturen visade stora mekaniska förändringar efter absorptionen av vätgas. "Det kändes som om vi stämde en gitarrsträng, säger Nicola Manca, en expert på mikromekaniska resonatorer. "Vätgas kunde modulera materialets resonansfrekvens med mer än 500 procent." Stammodulationen var så stor att de inducerade förändringarna kunde observeras med ett vanligt mikroskop. Ju mer väte gick in i materialet, ju mer den expanderade och böjde sig.

Rumstemperatur

En av de största fördelarna med denna teknik är att den kan användas i rumstemperatur, i en kontrollerad miljö. Det är också helt reversibelt. Som referens, erhålla en liknande töjningsmodulering med konventionella metoder och material, såsom termisk expansion i kisel, skulle kräva en temperaturhöjning på mer än 1500 grader.

TU Delft har en pågående patentansökan om samspelet mellan H ₂ med WO ₃ och planerar ytterligare forskning i denna lovande riktning.