(PhysOrg.com) -- Nel romanzo del 19° secolo, Pianura, di Edward A. Abbott, i residenti di quel paese immaginario esistono solo in due dimensioni. Le donne nascono come segmenti di linea, mentre gli uomini vengono in una gamma di forme geometriche che riflettono il loro rango, da umili triangoli isosceli, alle piazze borghesi, agli esagoni a sei lati, riservato alla nobiltà.

I vincoli della vita su un piano piatto riflettono in modo satirico la rigida struttura di classe vittoriana del tempo di Abbott. Quando il narratore della storia scopre una terza dimensione, altezza, cerca di comunicare questo concetto di liberazione agli altri abitanti di Flatlandia, e finisce in galera.

Grafene, una versione reale di Flatlandia, consiste di file su file di anelli esagonali di atomi di carbonio montati insieme in un modello piatto a nido d'ape dello spessore di un solo atomo.

Questa scala atomica rende il grafene parte del nano-mondo, dove oggetti mille volte più sottili di un capello umano non seguono più leggi naturali familiari come l'attrito e la gravità.

Proprio come il narratore di Flatlandia si eleva al di sopra della sua esistenza ristretta per sperimentare la vita in un'altra dimensione, gli oggetti su scala nanometrica obbediscono a una nuova serie di regole:le leggi "spettrali" della meccanica quantistica.

Stranezze quantistiche

Uno degli effetti della meccanica quantistica più eccitanti nel grafene è l'alta velocità con cui gli elettroni possono fluire attraverso di esso a causa della mancanza di attrito. Questo cosiddetto trasporto "balistico" potrebbe portare a una nuova generazione di veicoli superveloci, elettronica super efficiente.

Inoltre, per le sue dimensioni, il grafene è più forte e più flessibile dell'acciaio. Conduce il calore 10 volte più velocemente del rame e può trasportarne 1, 000 volte la densità della corrente elettrica come fili di rame.

Infatti, la struttura del grafene gli conferisce molte ottiche uniche, termico, proprietà meccaniche ed elettriche, entusiasmanti ingegneri e scienziati in tutto il mondo con grandi nuove possibilità per tutti i tipi di applicazioni.

Grafene in crescita

Il grafene è stato scoperto dagli scienziati dell'inizio del XX secolo che osservavano la grafite comune utilizzando la spettroscopia a raggi X. Sebbene potessero dire che la grafite era composta da una pila di singoli strati di grafene, nessuno vedeva l'utilità di questi strati ultrasottili all'epoca.

Negli anni '90, gli scienziati hanno imparato a produrre nanotubi di carbonio (CNT), che sono minuscoli, tubi arrotolati di atomi di carbonio disposti secondo lo stesso schema esagonale del filo di pollo del grafene.

Non è stato fino al 2004 che gli scienziati hanno misurato le proprietà elettroniche di sottili strati di grafene dopo aver smontato scaglie di mina di grafite usando un nastro trasparente. Ma questo noioso metodo per creare il grafene non funzionerebbe mai per un prodotto commercialmente valido.

Superando il silicio

Nel frattempo, Gli scienziati della Georgia Tech Walter de Heer, Claire Berger (anch'essa affiliata al CNRS, Francia) e Phillip First avevano lavorato con i CNT. Speravano di utilizzare i tubi in nanoscala per accelerare la prossima generazione di componenti microelettronici che avrebbero superato la capacità dell'elettronica al silicio.

Ma anche se i CNT avevano una velocità di trasporto balistico degli elettroni, erano difficili da assemblare in circuiti integrati.

Nel 2001, de Heer pensava che forse il grafene bidimensionale potesse essere usato anche come materiale elettronico, poiché è la base dei nanotubi di carbonio. Quell'anno, ha presentato una proposta di ricerca alla National Science Foundation (NSF) per una borsa di studio per studiare l'uso del grafene nell'elettronica.

De Heer e il suo team hanno avuto l'idea di far crescere uno strato piatto di grafene proprio dove sarebbe stato usato su un chip, e nell'esatta dimensione e forma necessaria, in modo che possa essere preintegrato in un dispositivo elettrico. Questo sarebbe molto più facile che produrre i delicati CNT, trasferendoli in un altro punto, e quindi collegandoli con un filo metallico a un circuito.

Primo brevetto di grafene

Nel 2003, il team della Georgia Tech è stato il primo a depositare un brevetto per un processo di realizzazione di semplici dispositivi elettronici utilizzando grafene prodotto in modo epitassiale (epitassiale significa far crescere uno strato di una sostanza sopra un altro materiale in modo che entrambi i materiali abbiano lo stesso orientamento strutturale).

Il metodo di base del team era riscaldare un wafer cristallino di carburo di silicio (SiC) a temperature elevate (superiori a 1100 C). A quella temperatura, gli atomi di silicio evaporarono dalla superficie lasciando solo atomi di carbonio, che si sono riorganizzati nel familiare schema a rete metallica del grafene.

Il grafene epitassiale può essere coltivato su diversi materiali di supporto, a seconda di cosa deve essere utilizzato. Un enorme vantaggio del grafene epitassiale è che utilizza gli stessi tipi di processi chimici che gli sviluppatori già utilizzano per produrre elettronica a base di silicio.

"È più che avere solo il materiale di grafene, " ha detto de Heer. "In realtà si tratta di avere la piattaforma e le tecniche di elaborazione che sarebbero state sviluppate in parallelo".

Dalla loro proposta iniziale, de Heer e il suo team, finanziato da NSF attraverso il Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), hanno ricevuto altri brevetti e pubblicato decine di articoli di ricerca sul grafene epitassiale per l'elettronica. Nel 2010, de Heer è stato insignito della medaglia MRS dalla Materials Research Society per i suoi contributi pionieristici alla scienza e alla tecnologia del grafene epitassiale.

Il grafene lo rende più forte

Le proprietà elettroniche superiori del grafene non sono il suo unico punto forte. Nikhil Koratkar, professore di meccanica, ingegneria aerospaziale e nucleare al Rensselaer Polytechnic Institute, sta utilizzando fogli di grafene per rafforzare i compositi ceramici per ambienti difficili come lo spazio esterno.

"Sono molto interessato a sviluppare applicazioni pratiche di nanomateriali, come grafene e nanotubi di carbonio, " ha detto Koratkar. "I nano-compositi sono una di queste applicazioni che possono avere un forte impatto".
Koratkar sta lavorando con Erica L. Corral, assistente professore presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università dell'Arizona, e specialista in compositi ceramici.

Prima che Koratkar e Corral si unissero, il grafene era stato utilizzato nei compositi polimerici ma mai nella ceramica per migliorarne la resistenza meccanica. La ceramica è tra i materiali più resistenti alle alte temperature al mondo, ma tendono ad essere molto fragili.

Prevenire le crepe

Alla ricerca di qualcosa da aggiungere ai compositi ceramici che impedisse la fessurazione, gli scienziati hanno scelto il grafene per la sua resistenza meccanica, superficie e geometria. "Il grafene mostra notevole rigidità e resistenza, " disse Koratkar. "E anche se è spesso solo nanometri, viene fornito in fogli abbastanza grandi da avvolgersi e ancorarsi saldamente attorno ai grani di ceramica durante il processo di sinterizzazione utilizzato per fabbricare la ceramica."

I risultati della ricerca di Koratkar e Corral sono stati incoraggianti. "Abbiamo dimostrato che il grafene può indurire la ceramica al nitruro di silicio di oltre il 200%, " ha detto. "La ragione di questo indurimento è che i fogli bidimensionali di grafene sono in grado di deviare le crepe che si propagano non solo in due ma in tre dimensioni".

Koratkar e Corral, sostenuto da sovvenzioni di NSF, continuerà ad esplorare l'uso del grafene in altri tipi di ceramica e studierà le prestazioni del composito con percentuali più elevate di grafene.

"Il futuro del grafene in ceramica dovrebbe tradursi in un nuovo campo di ricerca sui materiali e sui sistemi compositi che è molto più avanzato rispetto ai sistemi di rinforzo unidimensionali che abbiamo usato fino ad oggi, " ha detto Corrale.

Rappresentare graficamente l'industria del grafene

Con così tante ricerche sul grafene in corso in una moltitudine di industrie, è difficile tenerne traccia. Ma Jan Youtie, uno scienziato sociale e principale ricercatore associato presso l'Enterprise Innovation Institute della Georgia Tech, insieme al suo collega Philip Shapira, professore alla School of Public Policy della Georgia Tech e all'Università di Manchester, stanno facendo proprio questo.

I ricercatori utilizzano un processo chiamato "valutazione della tecnologia in tempo reale" (RTTA) per comprendere il sociale, morale, dinamiche politiche ed economiche dell'industria delle nanotecnologie, compreso il grafene. Per fare questo, raccolgono tutte le domande di brevetto e ogni articolo scientifico che copre il grafene in un database.

"Il grafene ha vissuto una traiettoria ripida in termini di risultati di ricerca e scoperte, "Ha detto Youtie. "Questa traiettoria è ancora più precoce e più ripida di quanto abbiamo visto rispetto ad altre nanotecnologie".

La ricerca di Youtie e Shapira è finanziata da NSF attraverso il Center for Nanotechnology in Society presso l'Arizona State University (CNS-ASU), che unifica i programmi di ricerca tra diverse università. Hanno scoperto che Atlanta, dove si trova Georgia Tech, è uno dei nodi principali della ricerca sul grafene nel mondo, in base al numero totale di pubblicazioni.

Grafene globale

"Ci sono quasi 200 aziende, comprese le grandi multinazionali e le piccole imprese startup che sono state coinvolte nel dominio del grafene, "Ha detto Youtie. "Ciò significa che nuove applicazioni vengono prese in considerazione mentre la ricerca è ancora in corso".

Proprio nell'ultimo anno, Youtie ha registrato brevetti che utilizzano il grafene in una batteria ad alcool, Filler in polvere Bakelite™, transistor organici a cristallo singolo, sistemi a rilascio controllato di farmaci, celle solari sensibilizzate al colorante, tintura delle acque reflue, compositi a film sottile/compositi conduttivi/compositi polimerici/compositi plastica-legno, pannello di fibra resistente all'acqua, schiuma metallica, materiale del catodo della batteria, stampa e una batteria a combustibile a membrana a scambio protonico.

"C'è una partecipazione globale alla ricerca e alla commercializzazione del grafene, e le migliori aziende sono grandi società dalla Corea e dal Giappone, con società statunitensi presenti ma non così prevalenti, " Youtie ha detto. "L'internazionalizzazione in questo settore riflette la trascendenza della nanotecnologia in generale oltre i confini nazionali".