IL GRAFENE , MATERIALE DELLE MERAVIGLIE

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Barbara Bubbi

Il grafene è un foglio sottile quanto un atomo, composto da atomi di carboni disposti in una geometria a nido d’ape. Una struttura semplice ed elegante tenuta insieme da forti legami covalenti.

Il grafene può essere considerato come la struttura di base per la costruzione di tutti gli altri materiali grafitici noti come il fullerene, i nanotubi di carbonio, la grafite. Il grafene, per via della particolare geometria del sistema e della configurazione elettronica del carbonio, possiede una struttura elettronica del tutto peculiare, con caratteristiche meccaniche, oltre che elettroniche, eccezionali, è flessibile e resistente ed estremamente sottile.
Gli elettroni possono muoversi attraverso il grafene senza incontrare quasi resistenza, una proprietà che gli fornisce un’ottima chance per sostituire in futuro dispositivi la tecnologia a silicio.
Attualmente è molto difficile controllare il flusso di elettroni perchè il grafene è l’unico materiale semiconduttore con energy gap nullo.

Le cariche elettriche nel grafene sembrano comportarsi come particelle relativistiche prive di massa a riposo. Le particelle – fermioni di Dirac con massa nulla – sono descritte dalla teoria della relatività di Einstein (la cosiddetta equazione di Dirac).
Ma per controllare lo stato “off” nei futuri transistor, il grafene necessita di una barriera energetica che impedisca agli elettroni di condurre quando lo si desidera, rendendolo semiconduttore anzichè conduttore.
In questo nuovo studio gli scienziati hanno aperto una band gap nel grafene drogando con attenzione entrambi i lati del doppio strato, in modo anche da evitare disturbi nella struttura.
Questa scoperta potrà portare alla creazione di memory transistor basati sul grafene con il più alto rapporto corrente iniziale finora trovato per un transistor in grafene (34,5 contro 4), ma con il più alto rapporto on/off per un dispositivo di questo tipo (76,1 contro 26), mantenendo la consueta mobilità di elettroni nel grafene (3100 cm2/V·s).

Uno strato di atomi di carbonio, incollati con un processo atomico indotto in una matrice esagonale, che può essere fatto da uno strato estratto da un blocco grafite con nastro adesivo esfoliante, non sembra un materiale particolarmente meraviglioso, ma questa appare come una descrizione assai approssimativa del materiale chiamato grafene, che un giorno potrebbe cambiare la politica industriale di tutto il mondo.

Il materiale, “scoperto” nella sua forma di fogli sottili, isolati nel 2004 da un gruppo di scienziati all’Università di Manchester e l’Istituto di tecnologia microelettronica, Chernogolovka, in Russia, ma rivelati soltanto nel 2010 al pubblico, da allora ha portato ad una sequenza di scoperte scientifiche sorprendenti quanto il materiale stesso.

Recentemente i ricercatori della Rice University hanno scoperto un modo di utilizzare di uno strato di grafene per memorizzare dati elettronici. Niente di nuovo si potrebbe pensare, ma in realtà la memoria e la capacità di immagazzinare dati del grafene è molto più densa di quello che il NAND avrebbe previsto e è in grado di sopportare il calore fino a 200 C°. Questo potrebbe rendere la memoria di dati introdotta sul grafene un candidato eccellente per il processo d’archiviazione digitale a lungo termine, che rappresenta un problema attuale per memorizzare dati negli storici archivi di dati su formato elettronico.

Nel frattempo, i fisici dell’Università del Maryland hanno dimostrato che grafene può condurre elettricità meglio di qualsiasi altro materiale noto a temperatura ambiente. Trasportando degli elettroni nel grafene si verifica un processo più veloce di 100 volte di quello silicio. Non ci sono difficoltà all’estensione di questo risultato fino ad arrivare alle grandi dimensioni, cosa che potrebbe essere utile per utilizzarlo nei dati delle connessioni di trasferimento da cavo a cavo elettrico.

Un team dell’Università di Manchester ha recentemente progettato il transistor più piccolo del mondo introdotto in un grafene: un solo atomo profondo e largo a dieci cm, con colpi di energia corrente che tramite dei semiconduttori transistor può essere immesso nell’acqua, estendendo così la legge di Moore, suggerendone un possibile utilizzo in futuro in un supercomputer tascabile che consuma meno energia e genera meno calore di scarto rispetto alle attuali macchine in circolazione.

Il materiale grafene non solo ha incredibili proprietà elettriche. Gli ingegneri meccanici presso la Columbia University hanno testato la forza di grafene in un impianto di perforazione, cercando di perforare un campione al microscopio con una sonda a base di grafene. Tale ricerca ha stabilito che la forza di resistenza del grafene è simile, anche se non perfettamente uguale, a quella che ha un materiale fatto interamente di diamante. La scoperta ha fatto capire agli scienziati che il grafene è uno dei pochi materiale molto resistenti, che si trovano già in natura. Anche se sarebbe impossibile da usare per scopo di perforazioni su larga scala, infatti il campione veniva scaldato ogni poco e molto vicino al materiale di grafene, cosa che ha permesso di sostenere una massa pari a quella di una vettura automobilista intera senza mai rompersi. Su scala macroscopica (quindi su una più larga scala ) naturalmente, una tale struttura atomicamente perfetta sarebbe impossibile da mantenere intatta senza difetti e se questi si verificassero indebolirebbero tale processo di perforazione del grafene. Tale materiale ha potenzialmente anche le caratteristiche che lo potrebbe far diventare un potenziale elemento da inserire nella lista dei materiali compositi super resistenti da utilizzare nel futuro prossimo, una volta migliorato il processo di perfezionamento per mantenere intatta la sua composizione senza che il grafene subisca difetti nel processo di perforazione su larga scala e grandi dimensioni.

Presso l’Università di Creta, il grafene è stato progettato in una struttura 3D con strati “saldati” insieme con nanotubi di carbonio, con l’intento di creare un serbatoio di combustibile di idrogeno di nuova generazione e green-friendly. È stato trovato che un materiale così stratificato soddisfa i criteri di energia di massa, progettati per trattenere il pericoloso idrogeno in modo sicuro per applicare tale carburante in un prossimo futuro nelle automobili alimentate tramite celle a combustibile. Tale processo però funziona soltanto per quelle che hanno tali celle superiori al 6% dell’H2 della massa, e quindi, considerando l’attuale tecnologia, può gestire soltanto circa il 2% della produzione dell’industria dell’automobile.

Tutti questi dati provengono dai laboratori delle Università per due motivi: in primo luogo, il grafene è incredibilmente nuovo, e scoprire come si comporta è un’attività nuova per la scienza, in secondo luogo, il materiale a è molto difficile da produrre al di là di quello utilizzato per le scale microscopiche e quindi servono dei laboratori chimici che abbiano gli strumenti adatti a favorire tale processo. La soluzione del nastro adesivo esfoliante, suggerita all’inizio dell’articolo, era un primo tentativo che ha reso il grafene utilizzabile , ma a causa di tale processo può essere prodotto soltanto in strati piuttosto densi e corposi. Ora è stato fatto molto lavoro per prepararlo in diversi modi: dalla crescita epitassiale, alla riduzione in “fogli” di grafene tramite l’utilizzo di carburo di silicio, idrazina ad etanolo prodotto in maniera chimica.

Attualmente è uno dei materiali più costosi prodotti sulla terra, cha ha una larghezza simile a quella di un singolo capello umano e costa circa $1.000, ma non c’è alcun motivo di credere che i problemi di produzione su larga scala non possano essere risolti, creando un prezzo più competitivo e plausibile per essere adottato anche a livello industriale tra pochi anni. Grazie anche diverse applicazioni, in attesa di essere sperimentate, tale materiale, prevalentemente estratto dal campione di carbonio, potrebbe finire per guidare la prossima rivoluzione industriale, come in passato il carbone stesso.

(tratto dalla sezione video della ‘CNBC‘)