Grafene, una forma di carbonio puro disposto in un reticolo dello spessore di un solo atomo, ha interessato innumerevoli ricercatori con la sua forza unica e la sua conduttività elettrica e termica. Ma una proprietà chiave che gli manca - che lo renderebbe adatto a una pletora di nuovi usi - è la capacità di formare un intervallo di banda, necessari per dispositivi come transistor, chip per computer e celle solari.

Ora, un team di scienziati del MIT ha trovato un modo per produrre grafene in quantità significative in una forma a due o tre strati. Quando gli strati sono disposti correttamente, queste strutture danno al grafene il tanto desiderato band gap, un intervallo di energia che cade tra le bande, o livelli di energia, dove gli elettroni possono esistere in un dato materiale.

“È una svolta nella tecnologia del grafene, "dice Michele Strano, Charles e Hilda Roddey Professore Associato di Ingegneria Chimica al MIT. Il nuovo lavoro è descritto in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Nanotecnologia della natura , co-autore dello studente laureato Chih-Jen Shih, Professore di ingegneria chimica Daniel Blankschtein, Strano e altri 10 studenti e postdoc.

Il grafene è stato dimostrato per la prima volta nel 2004 (un'impresa che ha portato al Premio Nobel 2010 per la fisica), ma renderlo in quantità abbastanza grande per qualsiasi cosa tranne la ricerca di laboratorio su piccola scala è stata una sfida. Il metodo standard rimane l'utilizzo di nastro adesivo per raccogliere minuscole scaglie di grafene da un blocco di grafite altamente purificata (il materiale della mina delle matite) - una tecnica che non si presta alla produzione su scala commerciale.

Il nuovo metodo, però, può essere effettuato su una scala che apre la possibilità di reali, applicazioni pratiche, Strano dice, e permette di produrre la precisa disposizione degli strati — detti A-B impilati, con gli atomi in uno strato centrati sugli spazi tra gli atomi nel successivo - che produce proprietà elettroniche desiderabili.

“Se vuoi un sacco di doppi strati impilati A-B, questo è l'unico modo per farlo, "dice.

Il trucco sfrutta una tecnica originariamente sviluppata negli anni '50 e '60 dalla professoressa del MIT Institute Mildred Dresselhaus, tra gli altri:composti di bromo o cloro introdotti in un blocco di grafite trovano naturalmente la loro strada nella struttura del materiale, inserendosi regolarmente tra ogni altro strato, o in alcuni casi ogni terzo strato, e spingendo gli strati leggermente più distanti nel processo. Strano e il suo team hanno scoperto che quando la grafite si dissolve, si separa naturalmente dove giacciono gli atomi aggiunti, formando fiocchi di grafene spessi due o tre strati.

“Poiché questo processo di dispersione può essere molto delicato, ci ritroviamo con scaglie molto più grandi” di quanto chiunque abbia realizzato con altri metodi, Strano dice. “Il grafene è un materiale molto fragile, quindi richiede un'elaborazione delicata. "

Tali formazioni sono “uno dei candidati più promettenti per la nanoelettronica post-silicio, ” affermano gli autori nel loro articolo. I fiocchi prodotti con questo metodo, fino a 50 micrometri quadrati di area, sono abbastanza grandi da essere utili per applicazioni elettroniche, dicono. Per dimostrare il punto, sono stati in grado di fabbricare alcuni semplici transistor sul materiale.

Il materiale può ora essere utilizzato per esplorare lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi elettronici e optoelettronici, Strano dice. E a differenza dell'approccio "scotch tape" alla produzione di grafene, “il nostro approccio è industrialmente rilevante, ” dice Strano.

Giacomo Giro, professore di chimica e di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Rice University, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che il lavoro ha coinvolto "esperimenti geniali" che hanno prodotto statistiche convincenti. Ha aggiunto che sarebbe necessario un ulteriore lavoro per migliorare la resa del materiale di grafene utilizzabile nelle loro soluzioni, ora a circa il 35-40 per cento, a più del 90 per cento. Ma una volta ottenuto ciò, lui dice, “this solution-phase method could dramatically lower the cost of these unique materials and speed the commercialization of them in applications such as optical electronics and conductive composites.”

While it’s hard to predict how long it will take to develop this method to the point of commercial applications, Strano says, “it’s coming about at a breakneck pace.” A similar solvent-based method for making single-layer graphene is already being used to manufacture some flat-screen television sets, and “this is definitely a big step” toward making bilayer or trilayer devices, lui dice.

The work was supported by grants from the U.S. Office of Naval Research through a multi-university initiative that includes Harvard University and Boston University along with MIT, as well as from the Dupont/MIT Alliance, a David H. Koch fellowship, and the Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.