Grafene: il materiale delle meraviglie

Il grafene è un materiale dalle caratteristiche straordinarie. Composto da un singolo strato di atomi di carbonio, la sua morfologia è simile a quella di un alveare: gli atomi sono posizionati esattamente sui vertici degli esagoni che ne compongono la struttura. Cento volte più resistente dell’acciaio e un milione di volte più sottile di un capello, il grafene possiede una stabilità termica elevata, cioè resiste ad alte temperature senza rompersi, e la sua conducibilità elettrica è un milione di volte superiore a quella del rame. Le sue proprietà uniche lo rendono un materiale eccezionale per la ricerca. A Trieste, presso il Laboratorio di Scienza delle Superfici di Elettra, è stato sviluppato un metodo per produrre grafene a basso costo e si sta mettendo a punto una macchina in grado di sfruttare le sue incredibili caratteristiche nell’ambito delle nanotecnologie. Ne abbiamo parlato con Alessandro Baraldi, docente di Fisica della Materia all’Università di Trieste e responsabile del Laboratorio di Scienza delle Superfici.

Prof. Baraldi, cominciamo facendo un passo indietro. Quando è stato scoperto il grafene?

Il grafene non è nient’altro che un singolo strato di grafite, il materiale utilizzato per fabbricare le comuni matite. In un certo senso eravamo in grado di sintetizzarlo già negli anni ‘50 del secolo scorso, ma era prodotto sempre su una superficie. Solo pochi anni fa, nel 2004, Andre Geim e Konstantin Novoselov, poi vincitori del premio Nobel, sono riusciti a isolare il grafene utilizzando un metodo semplice ed eccezionale al tempo stesso: hanno applicato del nastro adesivo su un solido di grafite ad alta purezza; successivamente, ripiegando il nastro su se stesso varie volte, sono stati in grado di ottenere uno strato di grafene. Il tutto è avvenuto durante uno dei cosiddetti Friday Night Experiments, esperimenti un po’ folli a cui Geim dedicava il venerdì notte. Possiamo dire che si è trattato di un caso di serendipità: coloro che sono alla ricerca di un risultato, a volte lo raggiungono non attraverso la strada che si aspettavano, ma per vie traverse e inusuali.

Di cosa vi occupate nel vostro laboratorio? 

Studiamo le proprietà delle superfici dei metalli, dei semiconduttori in particolare, utilizzando una grande varietà di tecniche sperimentali. Per sintetizzare il grafene utilizziamo molecole di idrocarburi, carbonio e idrogeno, che quando interagiscono con la superficie dei metalli sono in grado di dissociarsi. Se la temperatura è sufficientemente elevata, dopo che la molecola si è rotta l’idrogeno lascia la superficie. Il tutto avviene in condizioni controllate. Fra i tanti parametri che siamo in grado di controllare, per esempio, c’è la pressione: per ottenere le condizioni di vuoto ultraspinto necessarie per i nostri esperimenti utilizziamo pompe speciali, simili alle turbine degli aeroplani, che ci consentono di ottenere una pressione interna diecimila miliardi di volte più bassa di quella atmosferica. Quando gli atomi di carbonio sono depositati, ad alta temperatura migrano e formano il reticolo esagonale del grafene. Una volta che si forma, il reticolo non è piano come un lenzuolo, ma è corrugato, con valli e creste che si alternano in modo periodico e ordinato. La macchina che stiamo mettendo a punto sarà in grado di sfruttare questa peculiarità del grafene.

In che modo?

Uno degli obiettivi che abbiamo è quello di accoppiare il grafene con aggregati atomici di piccole dimensioni, dell’ordine dei nanometri. Il nostro interesse è rivolto a quegli aggregati che sono composti da meno di un centinaio di atomi. Questo perché quando la materia riesce a raggiungere dimensioni così piccole, modificare di anche una sola unità la composizione di un aggregato, aggiungendo o togliendo un atomo, può modificare radicalmente le proprietà delle nanoparticelle, per esempio trasformandole da isolanti in conduttrici, e viceversa. Il grafene che sintetizziamo ha un certo grado di corrugazione periodica e ordinata, simile a quella di una scatola di uova, con avvallamenti e colline. Il nostro obiettivo è posizionare i piccoli aggregati atomici che costruiremo con questa macchina al posto delle uova, negli avvallamenti del grafene, in modo da studiarne le proprietà.

Come siete riusciti a produrre grafene low cost?

Il grafene possiede eccezionali proprietà di trasporto, sia elettrico che termico, ma per essere utilizzato va accoppiato con altri materiali. Nelle applicazioni del futuro, soprattutto nell’ambito della nanoelettronica, sarà necessario accoppiare il grafene con gli ossidi, perché dal punto di vista elettrico sono isolanti. L’accoppiamento fra un materiale conduttore e uno isolante è necessario. Per capirci, si tratta dell’accoppiamento alla base di qualsiasi transistor. Il metodo attuale consiste nel sintetizzare il grafene su un metallo e trasferirlo poi sopra un ossido, ma questo approccio ha forti controindicazioni: si tratta di un procedimento costoso e, soprattutto, durante i vari passaggi il grafene si può contaminare e le sue proprietà possono deteriorarsi in modo irreversibile. Nel nostro laboratorio siamo riusciti a creare in modo diretto, senza trasferimento, un’interfaccia tra il grafene e un ossido: l’allumina. L’allumina è la ceramica comune, composta da ossigeno e atomi di alluminio; noi abbiamo creato il grafene facendolo crescere su un cristallo di nichel-alluminio. Poi, esponendo il sistema a ossigeno molecolare, abbiamo ossidato il supporto.

Quali sono le applicazioni future?

Noi facciamo ricerca di base, ma siamo consapevoli che potranno esserci numerose applicazioni tecnologiche nell’ambito delle nanotecnologie. È chiaro che aver sviluppato un nuovo sistema di sintesi del grafene su un supporto di allumina aprirà molte strade per la costruzione di componenti nanoelettroniche a basso costo che entreranno a far parte di smartphone, tablet e altri dispositivi elettronici. Al di là delle applicazioni fantascientifiche realizzabili a lungo termine – che includono pannelli solari arrotolabili, computer indossabili e retine artificiali – in un futuro non lontano potremo vedere sui nostri dispositivi batterie più efficienti e di lunga durata basate sul grafene.

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