grafene
Le sorprese del grafene, il "materiale delle meraviglie"
Articolo inviato in privato da F. Melis, 18\04\2012, h. 23.35.

Un composto da premio Nobel, con straordinarie propriet fisiche e
chimiche ancora tutte da scoprire. Dai metodi di produzione basati sui
microbi fino ai nuovi dispositivi elettronici, ecco le nuove
interessanti scoperte sul grafene
di MASSIMILIANO RAZZANO

Grafene, la chiave del futuro

IMMAGINATE un materiale capace di condurre l'elettricit meglio del
rame, trasparente come il vetro e pi resistente dell'acciaio.
Immaginate poi di poterlo piegare come se fosse plastica, e realizzare
cos schermi touchscreen da arrotolare e portarvi in tasca. Pura
fantascienza? Forse no, perch gli scienziati conoscono gi da anni il
grafene, un "materiale delle meraviglie" con propriet ed applicazioni
in parte ancora ignote.

Cos, mentre parte della comunit scientifica sta studiando le
caratteristiche del grafene, molti ricercatori in tutto il mondo sono
impegnati a sviluppare tecniche di produzione innovative, come quella
recentemente sviluppata alla Toyohashi University of Technology.

Un gruppo coordinato da Yuji Tanizawa  infatti riuscito ad
"addomesticare" dei microorganismi raccolti in un fiume vicino al campus
universitario, nella prefettura di Aichi, ed utilizzarli cos per
produrre i sottilissimi fogli di grafene. Il nuovo metodo, presentato
sulle Conference Series del Journal of Physics, sfrutta quindi un
procedimento ibrido che combina processi chimici ed agenti biologici e
che potrebbe offrire un nuovo canale per produrre grafene di alta
qualit, a basso costo, e nel completo rispetto dell'ambiente.

Un materiale da premio Nobel. Costituito da uno strato di atomi di
carbonio collocati su una struttura a nido d'ape, il grafene 
considerato uno dei materiali pi promettenti del futuro. Questo
materiale bidimensionale  infatti ultrasottile, flessibile, ed  circa
200 volte pi resistente dell'acciaio. E' inoltre un ottimo conduttore
di calore e di elettricit, e per le sue propriet di trasporto degli
elettroni  gi considerato l'erede del silicio nell'elettronica del futuro.

Ma uno degli aspetti pi sorprendenti del grafene  che ce l'abbiamo
sotto gli occhi praticamente quasi tutti i giorni, ogni volta che
scriviamo con una matita. La grafite, di cui  fatto il cuore delle
nostre matite,  infatti una sovrapposizione di strati di grafene
separati da tre decimilionesimi di millimetro.

Nonostante molti studi teorici avessero iniziato a delineare le
propriet fisiche e chimiche degli strati di grafite sin dalla prima
met del Novecento, il grafene rimase per decenni lontano dai
laboratori. Si riteneva infatti che la configurazione atomica del
grafene fosse altamente instabile e che fosse quindi impossibile crearlo
a temperatura ambiente.

Tutto cambi nel 2004, quando un gruppo di ricercatori dell'Universit
di Manchester, guidati da Andre Geim e Konstantin Novoselov, riusc per
la prima volta ad isolare il grafene in laboratorio. Geim e Novoselov
avevano infatti usato un nastro adesivo per strappare singoli piano di
grafene da un substrato di grafite. La scoperta, discussa su Science
nell'ottobre 2004, era cos rivoluzionaria da meritare un biglietto per
Stoccolma in tempi record. Dopo solo sei anni, Geim e Novoselov
ricevettero il premio Nobel 2010 per la Fisica, per "i pionieristici
esperimenti sul materiale bidimensionale grafene".

Batteri mangia-grafite. La scoperta di Geim e Novoselov apr la strada
ad un nuovo settore della fisica dei materiali, su cui iniziarono a
lavorare scienziati in tutto il mondo. Molti gruppi di ricerca, come
quello di Tanizawa, si concentrano oggi sullo sviluppo di tecniche di
produzione alternative al metodo di esfoliazione adottato da Geim e
Novoselov.

Il gruppo giapponese lavora infatti sui metodi di tipo chimico, che
sfruttano cio reazioni per produrre grafene a partire dall'ossido di
grafite. Questo materiale ha una struttura laminare molto simile alla
comune grafite, ma dove per ad alcuni atomi di carbonio sono legati
altri atomi, come ad esempio ossigeno ed idrogeno. Per produrre il
grafene, si operano dei processi chimici di riduzione, nei quali cio
vengono ceduti elettroni all'ossido di grafite, in modo da spezzare i
legami con l'ossigeno e ricondursi poi ai singoli piani di grafene.

Tuttavia questi processi chimici utilizzano come reagente l'idrazina,
oppure si basano sul riscaldamento ad altissime temperature, due
tecniche che rendono il procedimento molto costoso e persino tossico.
Per questo motivo i ricercatori giapponesi hanno deciso di "chiedere
aiuto" ad alcuni microorganismi capaci di operare processi di riduzione
chimica.

Molti batteri, come ad esempio quelli della specie Shewanella
oneidensis, ricavano infatti energia dai processi di riduzione,
trasportando cio elettroni verso l'esterno in un curioso processo di
respirazione cellulare. Facendo "respirare" ai microbi l'ossido di
grafite per tre giorni ad una temperatura controllata di 28 C, i
ricercatori sono cos riusciti ad ottenere frammenti di grafene grandi
100 micron e di ottima qualit, in un processo non tossico e poco costoso.

Dai transistor alle reti superveloci. Produrre grafene di qualit e a
costi contenuti  una priorit, soprattutto in vista delle nuove
potenzialit che si scoprono giorno dopo giorno. Sicuramente le
applicazioni pi promettenti sono legate all'elettronica, viste le
peculiari propriet del grafene nella conduzione di corrente. Nel 2010
ad esempio, un team della IBM  riuscito a creare transistor al grafene
capaci di operare a frequenze superiori a 100 GHz.

Tuttavia per fare il salto verso processori a base di grafene occorre
superare un ostacolo legato alle perdite di corrente di questi
transistor, che impediscono di montare troppi transistor in un singolo
circuito. Un ostacolo che potrebbe presto essere superato grazie ad una
nuova scoperta realizzata da Andre Geim e pubblicata a febbraio su Science.

Geim e colleghi hanno infatti sfruttato la "terza dimensione" del
grafene, accoppiando diversi strati di questo materiale con vari strati
di metallo, creando cos transistor di nuova generazione. Le propriet
quantistiche del grafene, legate ad esempio al basso momento magnetico
dei nuclei di carbonio, rendono inoltre questo materiale un ottimo
candidato per creare i dispositivi di base per la spintronica, ovvero
l'elettronica basata sui bit quantistici, o qubit, che dovrebbe essere
alla base dei computer quantistici.

Ma le meraviglie del grafene potrebbero portarci altri regali futuri,
fra cui sistemi di trasmissione digitale ancora pi veloci. E' infatti
possibile alterare i livelli energetici del grafene per renderlo pi o
meno trasparente e creare cos dei modulatori ottici, ovvero degli
interruttori capaci di controllare il percorso dei segnali luminosi. I
primi modulatori ottici a base di grafene, grandi pochi micron, sono
stati realizzati all'Universit di Berkeley e presentati per la prima
volta su Nature nel maggio dell'anno scorso. Questi 'interruttori
luminosi' saranno utilissimi nell'ottica quantistica e nella
comunicazione digitale ad altissima velocit.

Come la plastica cento anni fa. Le potenziali applicazioni vanno oltre
l'elettronica o l'ottica. Per esempio, la densit del grafene lo rende
impermeabile ai gas, una propriet che potrebbe essere sfruttata per
creare filtri pi efficienti, ad esempio nella produzione di
biocarburanti. Essendo poi un materiale praticamente bidimensionale, il
grafene pu essere usato per costruire sensori a grande area sensibile
capaci di individuare singoli atomi, e costruire cos rilevatori di
sostanze tossiche estremamente sofisticati.

L'accoppiata fra le propriet elettriche e meccaniche del grafene
permetter inoltre di costruire molti dispositivi estremamente
efficienti e flessibili, fra cui schermi touchscreen, batterie ad alta
capacit e pannelli solari di nuova generazione. Inoltre, i fogli di
grafene possono essere arrotolati in nanotubi di carbonio, che gi oggi
sono alla base di moltissime applicazioni nel campo delle nanotecnologie.

Ma l'aspetto forse pi intrigante  che gli scienziati sono ancora
lontani dalla comprensione completa delle propriet del grafene. Fino a
pochi mesi fa non si sapeva molto delle propriet magnetiche di questo
materiale, fino a quanto il gruppo di Geim  riuscito a mettere in
evidenza le prime tracce di fenomeni magnetici nel grafene, come
descritto in un articolo apparso a gennaio su Nature Physics. E' sicuro
che anche questa scoperta porter a nuove interessanti applicazioni.

Il grafene  quindi ancora ricco di misteri. Le sue potenzialit sono
cos grandi che oggi  praticamente impossibile immaginarle tutte. A
cosa servir il grafene? Una domanda a cui nemmeno il premio Nobel Andre
Geim sa ancora rispondere, come ebbe modo di dichiarare ai tempi del
Nobel. "Non lo so. E' come presentare un pezzo di plastica a un uomo di
un secolo fa e chiedergli cosa ci si pu fare. Un po' di tutto, penso".
Detto da un premio Nobel, non possiamo che fidarci.

da la repubblica del (18 aprile 2012)
