Come l'acqua calma nel placido stagno non svela quanto sia capace di precipitarsi con fragore da una roccia, così nessuno conosce quali forze porti dentro di sé per soffrire e agire.
Schopenhauer
Il 2010 è stato l'anno che ha incoronato il grafene come materiale del futuro. Il premio Nobel della fisica è stato assegnato ad Andre Geim e Konstantin Novoselov proprio per i loro esperimenti sul monostrato di carbonio, ratificando così le proprietà eccezionali di questo materiale cristallino e bidimensionale. Il 2011 sarà l'anno nel quale gli effetti di queste proprietà elettroniche diventeranno tangibili. La struttura particolare del grafene rende infatti questo materiale 100 volte più robusto dell'acciaio pur avendo una densità di gran lunga minore; col grafene è possibile realizzare superfici battericide; progettare filtri chimici particolarmente efficienti; fabbricare sensori chimici o apparecchi che velocizzano gli screening genetici. Ma tutto ciò non basta: tra i settori che beneficeranno maggiormente delle caratteristiche di questo materiale vi è senza alcun dubbio quello dell'elettronica, dove il monostrato di carbonio si appresta a diventare il sostituto del silicio, per computer superveloci. Non a caso, due mesi fa, l'Università della California di Riverside ha svelato di avere costruito un transistor di grafene che rivaleggia con analoghi apparecchi basati sui semiconduttori di tipo "classico". Secondo i suoi realizzatori, guidati da Xuebei Yang, questo dispositivo costituisce un primo esempio di amplificatore a singolo transistor che può essere utilizzato nei circuiti normali. A settembre, invece, il gruppo di Lei Liao – dell'Università della California di Los Angeles – ha illustrato su
Nature i particolari di un procedimento per fabbricare in poco tempo transistor di grafene di alta qualità con una tecnica che promette la realizzazione di circuiti logici capaci di raggiungere la frequenza del THz, ossia mille miliardi di cicli al secondo. Assieme alle tecniche di fabbricazione, stanno migliorando anche quelle per la messa a punto dei dispositivi. Così, all'Università dell'Illinois, Myung-Ho Bae ha ideato un procedimento di microscopia a radiazione infrarossa per studiare con precisione la distribuzione delle cariche nei transistor di grafene. Sempre utilizzando il monostrato di carbonio, la Case Western Reserve University di Cleveland ha progettato un condensatore che si ricarica in un millesimo di secondo, e che potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella costruzione di un'elettronica basata sul grafene. I tempi sembrano quindi essere ormai maturi per la prossima commercializzazione di apparecchi di questo tipo, come sostiene Xuebei Yang con il suo team. Secondo i ricercatori dell'Università della California, infatti, non appena saranno raggiunti sufficienti progressi nei campi dell'elettronica stampabile e delle pellicole trasparenti, circuiti al grafene come quello realizzato nei loro laboratori avranno tutte le caratteristiche necessarie per la "commercializzazione e integrazione su larga scala". Ed è quello che potrebbe avvenire a partire dal 2011.
Eugenio Caruso – 23 dicembre 2010
Struttura molecolare del grafene
Revisione del 21 febbraio 2012
Nella classifica dei materiali più importanti per il futuro, il grafene si trova in pole position. Ha scalzato in maniera definitiva i superconduttori che negli anni Novanta hanno monopolizzato la ricerca del «materiale del futuro». Il motivo è semplice: il grafene ha tante di quelle «virtù» da trovare applicazione in molti settori, dall'energia ai computer. Già da subito. Sì, perché questo solido formato da un piano di carbonio a struttura esagonale è il materiale più sottile al mondo (lo spessore è di appena 0,3 nanometri) e può migliorare le prestazioni di molti prodotti esistenti sul mercato. Quali? I chip, per esempio.
Uno studio pubblicato dalla rivista Science mostra come il grafene possa mandare in pensione il silicio dei processori. Grazie alla sua conducibilità il grafene ci permetterebbe di ottenere computer velocissimi, vere e proprie schegge nel calcolo informatico. Eppure si parla di transistor al carbonio da anni, senza giungere agli oggetti concreti. «Il grafene non è realmente un semiconduttore, per cui tutti i tentativi di farlo funzionare come il silicio sono falliti», spiega Marco Vittori Antisari , responsabile dell'unità tecnica di tecnologia dei materiali all'Enea presso il centro di Casaccia. Adesso, la musica è cambiata.
All'Università di Manchester, infatti, hanno scoperto che il sandwich di grafene è un perfetto semiconduttore. Ricetta: due strati di grafene. In mezzo uno strato di nitruro di boro, oppure di disolfuro di molibdeno. «Nel sandwich di grafene si crea il 'gap di energia' che serve a trasformare il materiale in semiconduttore», sottolinea Vittori Antisari. «Qui, gli elettroni saltano da un piano di grafene all'altro, generando l'effetto tunnel, in senso perpendicolare alla base degli strati». Tra gli inventori del sandwich per chip ci sono i due Nobel 2010 per la fisica: Konstantin Novoselov e Andre Geim, che hanno ottenuto il premio da Stoccolma proprio per le scoperte sul grafene. «Hanno usato un'idea geniale che ci permette di fare un passo avanti», commenta l'esperto, «perché abbiamo già la tecnologia per integrare questo sistema in un dispositivo. Non è un vantaggio da poco. Non dimentichiamo che nel tempo sono stati sintetizzati tanti materiali brillanti che poi non sono stati impiegati perché non avevamo la tecnologia compatibile».
La struttura a sandwich apre nuove prospettive pure nel fotovoltaico. «Potrebbe migliorare l'efficienza dei pannelli», commenta Vittori Antisari. «Oggi è possibile catturare soltanto una piccola parte dello spettro solare». Oltre al sandwich, il grafene ha proprietà interessanti come monostrato oppure come doppio strato senza nulla in mezzo. Da monostrato si può usare come supermembrana: flessibile, resistente e difficile da rompere. In questa condizione è invisibile persino all'acqua, come dice la rivista Nature. Un metallo ricoperto con il monostrato si bagna normalmente. Se è idrofobo, rimane idrofobo. Se è idrorepellente, rimane idrorepellente. Allo stesso tempo è protetto da questa sorta di pellicola e non si ossida. I ricercatori pensano di usare il monostrato di grafene per ricoprire display sottili. Da doppio strato, invece, è un isolante.
Aggiornamento del 29 gennaio 2013.
Negli ultimi cinque anni, università, laboratori e imprese cinesi hanno registrato 2.204 brevetti che hanno a che fare con il grafene che, dopo aver fruttato il Nobel a due ricercatori dell'Università di Manchester, promette straordinarie e futuribili applicazioni industriali. Nell'arco dello stesso lustro, l'America ha depositato 1.754 richieste di brevetto. La Corea del Sud 1.160. L'Europa meno di 500. In questo scenario, ha fatto bene l'Unione Europea a finanziare, con un miliardo di euro, la ricerca in questa terra promessa della scienza. Il grafene – dicono a Bruxelles –«è destinato a diventare il materiale-miracolo del XXI secolo, come lo è stata la plastica nel secolo precedente, sostituendo il silicio nei prodotti elettronici». Peccato che, nonostante la sua scoperta sia stata fatta nel 2004 sul suolo europeo (da due scienziati russi), sono stati gli altri concorrenti della competizione globale – la competizione delle idee – a cogliere le maggiori opportunità. Il grafene non è soltanto straordinario per la sua leggerezza e per la sua sottigliezza: un metro quadro di grafene, tanto per dare un'idea, pesa meno di un milligrammo. Possiede anche straordinarie proprietà elettriche, ottiche, termiche e magnetiche, che apriranno la strada a una gran messe di applicazioni: dall'aviazione alla scienza dei materiali, dalle biotecnologie ai semiconduttori, e magari anche nelle nuove fonti di energia. E non necessariamente nel distante futuro: anche se ci vorrà del tempo prima che il grafene prenda il posto del silicio nei chip, c'è chi sostiene che le prime soluzioni pratiche appariranno nei prodotti elettronici di consumo ben prima del previsto. Basti pensare che la sola Samsung ha già registrato 407 brevetti che ruotano intorno al grafene. Il triplo della Ibm. Ed eccoci al punto. Anche Andre Geim e Konstantin Navoselov – i due ricercatori di Manchester che l'hanno scoperto – ammettono che il cammino della ricerca sul grafene è ancora lungo. Ma forse meno di quanto si possa immaginare: vista la lunga lista di promesse del carbonio bidimensionale, le attenzioni hanno già valicato i confini dell'accademia, per raggiungere i laboratori di ricerca e sviluppo delle multinazionali. Dopotutto, se la sostituzione del silicio nei chip potrebbe da sola cambiare il mondo (facendo sopravvivere la Legge di Moore e quindi il costante raddoppio delle capacità di calcolo), sulla carta i confini del grafene paiono devvero illimitati. Qualche esempio? La desalinizzazione, un processo vitale per numerosi paesi del mondo, ma fatalmente dispendioso in termini di energia, potrebbe diventare 4-5 volte più efficiente. Le celle solari fatte di grafene e polimeri, potrebbero essere pieghevoli, più capaci e meno costose. Le biostrumentazioni a base di grafene – grazie alle sue particolari proprietà chimiche e fisiche – potrebbero consentire il sequenziamento genomico a bassissimo prezzo e quindi la diagnostica medica personalizzata. Verrebbe da dire: chi più ne ha, più ne metta. Anche per quanto riguarda gli investimenti. Come spesso accade, chi più investe in ricerca, più benefici raccoglie. Il progetto «Graphene» appena lanciato dall'Unione Europea, punta a coinvolgere 126 istituti di ricerca (in Italia il Cnr) di 17 paesi. Forse un po' in ritardo, ma molto meglio che mai.
