2D meglio che 3D!
Cari ragazzi questo approfondimento è dedicato a Alice Tiberi e Matteo Venturelli perché
non hanno più paura della matematica e non disdegnano certo un futuro da scienziati!
Qui ritorniamo a parlare di grafene, il materiale rivoluzionario, formato da strati monoatomici di atomi di carbonio
scoperto nel 2004 da Andrej Geim e Konstantin Novoselov, insigniti del premio Nobel nel 2010
(leggi anche
Grafene da un miliardo di euro). Ne parliamo perché i materiali 2D, come il grafene,
saranno importanti nel vostro futuro. Anzi, vi consiglio proprio di ricordarvi di questa lettura quando sceglierete cosa fare
da grandi!
Pensate ai polimeri di plastica. Si tratta di lunghe catene di monomeri, la cui lunghezza è molto maggiore del loro spessore.
Nel 1920 il chimico tedesco Hermann Staudinger capì che i polimeri avevano una struttura lineare. Iniziò così
la chimica dei polimeri,
materiali "quasi" unidimesionali (1D), che hanno avuto infinite applicazioni tecnologiche. Più recentemente la nuova rivoluzione nella scienza dei
materiali è cominciata con il grafene nel 2004. Lo spessore di un foglio di grafene, pari a quello di un singolo atomo di
carbonio, può essere un miliardo di volte minore della sua lunghezza e della sua larghezza.
Questo è il motivo per cui si parla di materiali 2D.
Geim e Novoselov ottennero il primo
foglio di grafene passando lo scotch sulla grafite! Oggi esistono metodi molto più
sofisticati per ottenere fogli di grafene, anche
se la produzione di questo materiale su larga scala è ancora difficile da ottenere e il processo risulta molto costoso.
Samsumg e Sony sono le prime grandi ditte produttrici di tecnologia che hanno investito molto sul grafene per costruire schermi
flessibili, allungabili, trasparenti e indistruttibili per cellulari, computer e tablet. Attenzione perché i materiali
2D, come il grafene, promettono molto di più.
L'elemento base di tutta la tecnologia moderna è il silicio, un materiale cristallino, quindi 3D, che,
per le sue caratteristiche di
semiconduttore, cioè tale da far passare (1) o non passare corrente (0), è diventato l'elemento più adatto
allo sviluppo dei microcircuiti. Perché ora i materiali 2D, come il grafene, sono più appetibili di quelli 3D? Attenzione
perché per spiegarlo servono concetti per noi ancora "incomprensibili"! Gli elettroni degli atomi di carbonio che viaggiano nel sottile strato di grafene
si comportano come particelle senza massa, un po' come i fotoni, le particelle di cui è composta la luce. Per questo
motivo manifestano fenomeni quantistici e relativistici, che, tradotto in un linguaggio più comprensibile per noi "fisici in erba",
significa che gli elettroni viaggiano
ad altissima velocità, che il grafene è un materiale molto forte, al tempo stesso
flessibile, allungabile
e molto versatile, tanto da poter essere combinato con molti altri materiali leggeri come le matrici polimeriche.
Traducendo queste sue proprietà in applicazioni, il grafene
permette la costruzione di dispositivi tecnologici, non solo flessibili e allungabili, ma molto più veloci di quelli attuali, è ben
cinque volte più resistente dell'acciaio, può permettere lo sviluppo delle cosiddette superplastiche e promette di
essere uno dei materiali più rivoluzionari per le applicazioni biomediche. Nello sviluppo dei microcircuiti per tutti gli apparecchi tecnologici,
la miniaturizzazione di transistor basati sul silicio (transistor = dispositivo elettronico che permette di controllare la corrente di un circuito,
usato come interruttore nei circuiti digitali) è stata portata a livelli estremi. Infatti, sembra ormai che la legge di Moore, secondo cui
la complessità di un microcircuito, misurata ad esempio tramite il numero di transistori per chip, raddoppia ogni 18 mesi, non sia più
un'idea realistica. Ecco perché il grafene è così appetibile. Le sue proprietà potrebbero determinare un aumento
significativo
delle potenzialità di calcolo dei dispositivi tecnologici, ben oltre i limiti imposti dai micorcircuiti basati sul silicio.
Il grafene, inoltre, non è solo...
Dopo la scoperta del grafene, sono stati ottenuti molti altri materiali bidimensionali. Alcuni di questi sono stati addirittura riscoperti, in quanto già noti, ma in passato non avevano ricevuto l'attenzione che meritavano. Composti a base di zolfo, selenio insieme a metalli come il molibdeno, il titanio o l'afnio possono formare fogli 2D simili a quelli del grafene. In particolare, il disolfuro di molibdeno (MoS2) può formare un materiale composto da milioni di strati sovrapposti che presentano una struttura centrosimmetrica, cioè perfettamente simmetrica rispetto agli assi x, y e z dello spazio. Il solfuro di molibdeno ha caratteristiche un po' diverse da quelle del grafene e di altri materiali 2D. Questa diversità è molto gradita ai fisici perché in questo modo possono progettare materiali multistrato in cui uno strato sia conduttore, uno isolante, uno semiconduttore e così via. La scienza dei materiali e soprattutto dei nanomateriali è un settore in rapida espansione e promette di continuare ad essere ancora per decenni un ramo in cui è facile trovare lavoro e potersi divertire! Cari ragazzi, a buon intenditor poche parole...
ReferenzeManuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)