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.

Graphene - What is Graphene from Danny Price on Vimeo.

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...

Graphene - Material of the Future from Curtis Brown on Vimeo.

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...

Referenze

Palermo V., Bonaccorso F. (2016) Benvenuti a Flatlandia. Le Scienze, 578: 52-57.

What is graphene

Graphene: material of the future

Graphene Factory - CNR

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)