È toccato al grafene salire agli onori della cronaca mondiale con l’assegnazione del premio Nobel per la Fisica ai due scienziati russi che nel 2004 hanno isolato questo nuovo materiale dalle straordinarie proprietà. Quello che Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno realizzato nei laboratori di Manchester, dove operano da diversi anni, può essere inquadrato nel vasto e promettente territorio delle nanotecnologie. Il suo strano nome è dovuto al fatto che viene ricavato dalla grafite e ciò che i due neo Nobel hanno fatto è stato di capirne le caratteristiche peculiari per poterlo ottenerle, appunto dalla grafite, rendendolo disponibile in strati ultrasottili, adatti per una varietà di applicazioni.
Sull’importanza del grafene e sul lavoro dei due vincitori, che conosce personalmente, abbiamo interpellato Leo Miglio, Ordinario di Fisica della Materia al Dipartimento di Scienza dei Materiali della Università di Milano-Bicocca e Coordinatore del Dottorato Europeo in Nanostrutture e Nanotecnologie della stessa Università.
Cos’è dunque il grafene? Quali sono le sue qualità?
Il grafene è un foglio sottile di atomi di carbonio, organizzati in una struttura “a nido d’ape”; la ben nota grafite consiste nell’impilamento di tali fogli di carbonio l’uno sopra l’altro ed è la forma che riscontriamo in natura.
Le proprietà del grafene sono molto particolari. Dal punto di vista elettrico è un ottimo conduttore e può essere “funzionalizzato”, cioè reso semiconduttore. Questo lo rende adatto a essere utilizzato nella microelettronica. Ha anche una buona conducibilità termica, cosa che permette il suo impiego nei casi in cui c’è bisogno di estrarre velocemente calore da una fonte, come nella microelettronica stessa, dal momento che i circuiti scaldano.
Da ultimo, in analogia con un’altra forma in cui è possibile trovare il carbonio in natura, il diamante, ha delle alte proprietà elastiche e meccaniche. Può essere utilizzato individualmente nella nano meccanica, oppure dentro ad altri materiali per conferire loro proprietà meccaniche ed elastiche elevate.
Come hanno fatto Geim e Novoselov a isolarlo?
Hanno utilizzato la tecnica del peeling, analogo alla prassi femminile della “ceretta”, che consiste nello strappare con un nastro adesivo gli strati di carbonio, fino a che non ne rimanga uno solo. La tecnica era già nota, ma nessun altro prima era riuscito ad ottenere fogli dello spessore di singoli atomi. Il premio Nobel comunque non è stato loro conferito solo per l’isolamento del grafene, ma anche per lo studio e la caratterizzazione delle proprietà del materiale.
C’è da aggiungere che la tecnica utilizzata da Geim e Novoselov non è quella che si presta ad essere utilizzata in ambito industriale per produzione su larga scala; gli studi attuali sono concentrati su altre due tecniche:
una di tipo chimico, inserendo delle molecole di gas tra un foglio di atomi e l’altro; aumentando la temperatura l’espansione del gas fa “esplodere” la grafite e permette di separare i singoli fogli; l’altra è la crescita su un substrato metallico, su cui si fa condensare del metano, che contiene carbonio; utilizzata dalla Samsung, è la più promettente per l’utilizzo nella microelettronica.
Nell’ambito delle nano particelle vi è però un altro passo che è tanto importante quanto quello della loro produzione; questi sottili fogli di carbonio una volta separati hanno una notevole tendenza a reimpacchettarsi e a formare nuovamente grafite. Al momento molti studi si stanno occupando di come evitare che ciò avvenga.
Quali sono i vantaggi del grafene rispetto al silicio nell’ambito dell’elettronica?
Il grafene è stato proposto come sostituto del silicio nell’elettronica. Sono già stati pubblicati articoli che descrivono la produzione di circuiti litografati di grafene. Per far questo è fondamentale avere a disposizione non solo un ottimo conduttore, ma anche un semiconduttore. Al momento si sta lavorando su come indurre una transizione a semiconduttore nel grafene tramite la deposizione di atomi di altri elementi.
L’interesse rispetto al silicio è che la disposizione estremamente regolare degli atomi di carbonio nel grafene fa sì che le sue proprietà rimangano sostanzialmente inalterate anche se il foglio ha una dimensione molto piccola. Questo non succede con il silicio, che cambia radicalmente proprietà in queste condizioni, e costituisce attualmente un limite superiore alla dimensione dei transistor.
Conosce personalmente i due vincitori del premio Nobel? Che ricordo ne ha?
Conosco Geim personalmente in quanto l’ho incontrato in una scuola di dottorato in Austria. Diversamente da sir Harold Kroto, vincitore del premio Nobel per la Chimica nel 1996 per la scoperta di un’altra delle forme in cui è possibile individuare il carbonio (il fullerene), un personaggio alquanto stravagante, Geim è una persona più in linea con l’immagine comune dello scienziato: una persona seria, che si occupa del suo lavoro. Il suo esempio ci insegna quanto sia importante la perseveranza nel lavoro di uno scienziato, la capacità di provare e riprovare fino ad ottenere un risultato che nessuno prima aveva ottenuto.
(a cura di Giovanni Rosotti)
