In questi giorni il grafene è la rock star della scienza dei materiali, ma ha un tallone d'Achille:è eccezionalmente sensibile al suo ambiente elettrico.

Questo favo di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo è più leggero dell'alluminio, più forte dell'acciaio e conduce il calore e l'elettricità meglio del rame. Di conseguenza, scienziati di tutto il mondo stanno cercando di trasformarlo in schermi di computer migliori, pannelli solari, schermi tattili, circuiti integrati e sensori biomedici, tra le altre possibili applicazioni. Però, si è rivelato estremamente difficile creare in modo affidabile dispositivi a base di grafene che siano all'altezza del suo potenziale elettrico quando funzionano a temperatura e pressione ambiente.

Ora, scrivendo nel numero del 13 marzo della rivista Comunicazioni sulla natura , un team di fisici di Vanderbilt riferisce di aver individuato la fonte dell'interferenza che inibisce il rapido flusso di elettroni attraverso dispositivi a base di grafene e ha trovato un modo per sopprimerla. Ciò ha permesso loro di raggiungere livelli record di mobilità degli elettroni a temperatura ambiente - la misura della velocità con cui gli elettroni viaggiano attraverso un materiale - tre volte maggiori di quelli riportati nei precedenti dispositivi a base di grafene.

Secondo gli esperti, il grafene può avere la più alta mobilità elettronica di qualsiasi materiale conosciuto. In pratica, però, i livelli misurati di mobilità, mentre significativamente superiore rispetto ad altri materiali come il silicio, sono stati notevolmente al di sotto del suo potenziale.

"Il problema è che, quando fai il grafene, non ottieni solo grafene. Ottieni anche molte altre cose, " ha detto Kirill Bolotin, professore assistente di fisica, che ha condotto lo studio con il Research Associate A.K.M. Newaz. "Il grafene è straordinariamente suscettibile alle influenze esterne, quindi i campi elettrici creati dalle impurità cariche sulla sua superficie disperdono gli elettroni che viaggiano attraverso i fogli di grafene, rendendo i transistor a base di grafene funzionare più lentamente e riscaldarsi di più."

Un certo numero di ricercatori aveva proposto che le impurità cariche che sono onnipresenti sulla superficie del grafene fossero i principali colpevoli, ma non era del tutto certo. Anche, diverse altre teorie erano state avanzate per spiegare il fenomeno.

"Il nostro studio mostra senza dubbio che la merda addebitata è il problema e, se vuoi realizzare dispositivi al grafene migliori, è il nemico che devi combattere, " ha detto Bolotin.

Allo stesso tempo, l'esperimento non ha trovato prove a sostegno di una delle teorie alternative, che le increspature nei fogli di grafene erano una fonte significativa di dispersione di elettroni

Per affrontare il problema della mobilità, Il team di Bolotin ha sospeso fogli di grafene in una serie di liquidi diversi e ha misurato le proprietà di trasporto elettrico del materiale. Hanno scoperto che la mobilità degli elettroni del grafene aumenta notevolmente quando il grafene è immerso in liquidi elettricamente neutri che possono assorbire grandi quantità di energia elettrica (hanno grandi costanti dielettriche). Hanno raggiunto il record di mobilità di 60, 000 usando l'anisolo, un liquido incolore con un piacevole, odore aromatico usato principalmente in profumeria.

"Questi liquidi sopprimono i campi elettrici dalle impurità, permettendo agli elettroni di fluire con meno ostacoli, " ha detto Bolotin.

Ora che la fonte della degradazione delle prestazioni elettriche del grafene è stata chiaramente identificata, dovrebbe essere possibile elaborare progetti di dispositivi affidabili, ha detto Bolotin.

Secondo il fisico, c'è anche un potenziale vantaggio per la straordinaria sensibilità del grafene al suo ambiente che può essere sfruttato. Dovrebbe realizzare sensori estremamente sensibili di vario tipo e, perché è interamente in carbonio, è biocompatibile e quindi dovrebbe essere ideale per i sensori biologici.