Le grafine? Superiori al grafene
di Caterina Vinci
Il carbonio non finisce mai di stupire. Finora ci aveva strabiliato con sorprendenti proprietà e applicazioni sui nanomateriali, quali ad esempio il fullerene, i nanotubi di carbonio e il grafene. Così come ci aveva meravigliato svelando le diverse strutture molecolari (allotropi) che formano gli atomi di carbonio quando si legano tra loro, ma le sorprese non sono finite. Nuovi nanomateriali, sempre a base di carbonio, denominati grafine, si rivelano a noi con nuove strabilianti strutture, ma soprattutto con proprietà e caratteristiche che, in alcuni campi di applicazione, sembrano superare quelle del grafene.
Il grafene è una struttura bidimensionale di spessore atomico, con una tipica configurazione esagonale ad alveare, che possiede eccellenti proprietà di resistenza meccanica e di conduttività elettrica. Le grafine, come il grafene, sono strutture bidimensionali di spessore atomico ma, a differenza del grafene, i legami fra gli atomi di carbonio non sono singoli e omogenei, ma possono essere doppi e tripli, con il risultato che le configurazioni risultanti differiscono dalla nota struttura esagonale ad alveare del grafene e possono essere teoricamente molto diverse tra loro e da quelle del grafene stesso. Le diverse configurazioni hanno caratteristiche particolari, in relazione alle proprietà di resistenza meccanica e di conducibilità elettrica. Infatti, queste non sono più isotrope come nel grafene, cioè le stesse lungo qualsiasi direzione, ma hanno la capacità di cambiare nelle diverse direzioni. Inoltre, le grafine sono più leggere: hanno una densità (e un peso) che è circa la metà di quello del grafene.
Le grafine non esistono ancora nella realtà, quantunque alcuni frammenti siano stati già prodotti in laboratorio. Tuttavia, se ne stanno studiando le caratteristiche e le possibili applicazioni da un punto di vista teorico, attraverso simulazioni modellistiche computerizzate.
In un recente articolo apparso su Physical Review Letters, ripreso nell’ultimo numero di Science sono descritte le ultime ricerche teoriche effettuate da un gruppo di ricercatori dell’Università di Erlangen-Nürnberg, in Germania, su tre tipi di grafine con tre diverse strutture molecolari e che presentano proprietà meccaniche ed elettriche asimmetriche.
Una di queste strutture, a simmetria rettangolare e denominata grafina 6,6,12, mostra, secondo i risultati di questo studio, una conduttività elettrica anche superiore a quella del grafene, ma lungo una sola direzione preferenziale, mentre lungo le altre direzioni la conducibilità elettrica è pari a quello di un materiale isolante. Ciò significa che tale tipo di grafina può trovare applicazioni nella fabbricazione di nanotransistor superveloci o di altri nanodispositivi elettronici basati sulla direzionalità della corrente elettrica.
Le ricerche sui nanomateriali a base di carbonio sono particolarmente promettenti per le nano tecnologie e il futuro dell’innovazione tecnologica, in quanto sfruttano le proprietà dell’atomo di carbonio, la cui versatilità nel coordinare differenti strutture è alla base della chimica organica, oltre che delle strutture organiche che consentono la vita, ha commentato Marco Vittori, Responsabile dell’Unità Tecnica Tecnologia dei Materiali dell’ENEA.
La difficoltà, come spesso accade, sta nel tradurre in dispositivi sperimentali, che rappresentano i primordi di una tecnologia, le intuizioni o i risultati di simulazioni numeriche. Se si riuscirà a concretizzare questo aspetto, le grafine potrebbero giocare un ruolo importante per l’elettronica di domani. Si tratta quindi di passare dalle simulazioni al computer alle prove sperimentali necessarie a individuare il metodo migliore per produrre questo tipo di materiale.