Grafene: la futura promessa dell'elettronica

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Il carbonio 6C è un elemento capace di cristallizzare in diverse forme, ciascuna con proprietà fisiche differenti - il diamante, ad esempio, un isolante trasparente o la grafite, un conduttore opaco con reticolo esagonale, la base delle comuni matite. Ed è il ‘mattone’ del grafene, un materiale innovativo diventato la promessa di una probabile nuova rivoluzione tecnologica.

Si tratta di un sottilissimo strato di carbonio dello spessore pari ad un atomo, un singolo strato di grafite. Le predizioni teoriche sul comportamento di questa membrana bidimensionale suggerirebbero la difficoltà di resistenza al calore, mentre nella pratica è un quasi impercettibile movimento oscillatorio che le consente di mantenere la compattezza della struttura cristallina. Resistenza più alta delle leghe metalliche, conducibilità termica e durezza migliore del diamante, impermeabilità e trasparenza sono tra i vantaggi del derivato della grafite. Ma è proprio l’estrema sottigliezza del grafene a conferirgli l’eccezionale caratteristica di alta conducibilità elettrica, motivo di speranza per un’ipotetica futura generazione di chip e dispositivi elettronici. In realtà, l’esistenza del grafene era nota fin dagli anni ’60, sebbene all’epoca non fosse ancora chiaro come poter isolare dei ‘fogli’ di questo materiale grandi abbastanza da poterne testare le proprietà. Una possibilità, tecnicamente semplice, è quella di estrarre con del nastro adesivo delle particelle di grafite e depositarle su un substrato di ossido di silicio per osservarle e studiarle, sfruttando il contrasto ottico tra i due materiali. Andre Geim e Konstantin Novoselov  dell’Università di Manchester, sono riusciti nel 2004 ad ottenere primi campioni di grafene partendo da esperimenti simili. Il premio Nobel per la Fisica, per aver estratto il grafene dalla grafite è arrivato nel 2010.  Nel frattempo, la ricerca ha inseguito questo materiale, aprendo nuove e impreviste prospettive.

Lo scorso anno James Meindel del Georgia Institute of Technology aveva stabilito tempi relativamente lunghi per la nuova era del grafene, durante l’International Solid State Circuit Conference, tenutosi a San Francisco. Secondo Meindel, la predominanza del silicio nell’elettronica durerà per almeno altri 15 anni, indicando il 2024 come data ipotetica di  ‘cambio del testimone’ col grafene. L’ostacolo principale è la sua produzione in grande scala, ma le ultime notizie potrebbero autorizzare, tuttavia, a pensare distanze più ravvicinate per la nuova era dell’elettronica. Qualche esempio: già nel 2009, uno studio condotto dalla Ohio State University, basato su simulazioni al computer, aveva posto le basi per ‘modellare’ la grafite in diverse forme, sfruttando la caratteristica di interazione tra l’ossido di silicio e la superficie di grafene, in grado di separare più facilmente gli strati di quest’ultimo e stamparlo su un substrato di ossido di silicio. Alla Tohoku University, ricercatori giapponesi hanno pubblicato nel 2010 un lavoro su un procedimento di crescita epitassiale del grafene su silicio, un ibrido mai ottenuto prima. La crescita epitassiale – vale a dire la deposizione di sottili strati di grafene cristallino su un substrato massivo -  consente di andare oltre i tradizionali processi di stampa litografica per i circuiti integrati di grafene, accelerando l’industrializzazione e l’auspicata successione tecnologica.

Si guarda principalmente alla microelettronica, tra le applicazioni possibili. I ricercatori dell’IBM sono stati i precursori nella produzione dei primi prototipi di dispositivi in grafene – i primi test sono del 2008. Lo scorso giugno, la rivista Science ha annunciato l’ultimo circuito elettronico integrato IBM, realizzato interamente da un ‘wafer’ di grafene. Il dispositivo è un circuito analogico pensato per le tecnologie wireless, capace di operare fino a frequenze di circa 10 gigahertz – vale a dire 10 miliardi di cicli al secondo.

Il futuro della mobilità elettrica, come noto, dipende molto dai sistemi di stoccaggio dell’energia, il più possibile veloci, affidabili ed economici. Grafene e acqua è l’inedita combinazione proposta dal dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell’Università di Monash, sfruttando l’acqua come elemento separatore dei fogli di grafene. Un’alternativa, questa, ai classici sistemi di stoccaggio dell’energia basati su tecnologie a ioni di litio, col vantaggio di garantire una ricarica in tempi nettamente inferiori e con previsioni di durata più lunga rispetto alle normali batterie. La sua eccezionale trasparenza e flessibilità, inoltre, lo rende il candidato ideale per una nuova classe di pannelli fotovoltaici e schermi flessibili, e si pensa a interessanti applicazioni anche per ciò che riguarda le membrane di purificazione dell’acqua, i sensori e i dispositivi biomedici: Barbaros Özyilmaz e Giorgia Pastorin del Dipartimento di Fisica dell’Università di Singapore, ad esempio, hanno recentemente dimostrato che il  grafene può funzionare bene come nanomateriale protettivo per aiutare la crescita cellulare, con prestazioni migliori dei nanotubi di carbonio. Sono proprio Geim e Novoselov gli autori dell’ultima ricerca, una conferma delle proprietà elettroniche del grafene. Sospendendo un lamina del materiale in un ambiente ad alto vuoto, i due primi Nobel hanno constatato che gli elettroni si muovono nel reticolo esagonale con livelli di mobilità ancora più elevati, aprendo nuove strade, inoltre, per lo studio sugli effetti quantistici.

Costi relativamente alti, produzione industriale, prestazioni non ancora pari a quelle dei chip in silicio - finora il grafene lavora solo in analogico - sono i limiti ancora da superare. La nuova frontiera del grafene può però contare su un percorso di ricerca inarrestabile, mentre il destino del silicio sembra ormai segnato.

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