Grafene, una forma esotica di carbonio costituita da fogli dello spessore di un singolo atomo, mostra una nuova reazione alla luce, I ricercatori del MIT hanno scoperto:Scintillato dall'energia della luce, il materiale può produrre corrente elettrica in modi insoliti. La scoperta potrebbe portare a miglioramenti nei fotorivelatori e nei sistemi di visione notturna, e possibilmente a un nuovo approccio alla generazione di elettricità dalla luce solare.

Questo effetto generatore di corrente era stato osservato in precedenza, ma i ricercatori avevano erroneamente supposto che fosse dovuto a un effetto fotovoltaico, dice Pablo Jarillo-Herrero, un assistente professore di fisica al MIT e autore senior di un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Scienza . L'autore principale del documento è il postdoc Nathaniel Gabor; coautori includono quattro studenti del MIT, Il professore di fisica del MIT Leonid Levitov e due ricercatori del National Institute for Materials Science di Tsukuba, Giappone.

Anziché, i ricercatori del MIT hanno scoperto che la luce che brilla su un foglio di grafene, trattato in modo che avesse due regioni con proprietà elettriche diverse, crea una differenza di temperatura che, a sua volta, genera una corrente. Il grafene si riscalda in modo incoerente quando illuminato da un laser, Jarillo-Herrero e i suoi colleghi hanno scoperto:gli elettroni del materiale, che trasportano corrente, sono riscaldati dalla luce, ma il reticolo dei nuclei di carbonio che forma la spina dorsale del grafene rimane freddo. È questa differenza di temperatura all'interno del materiale che produce il flusso di elettricità. Questo meccanismo, soprannominata una risposta "hot-carrier", “è molto insolito, "Dice Jarillo-Herrero.

Tale riscaldamento differenziale è stato osservato in precedenza, ma solo in circostanze molto speciali:o a temperature ultrabasse (misurate in millesimi di grado sopra lo zero assoluto), o quando i materiali vengono fatti saltare con energia intensa da un laser ad alta potenza. Questa risposta in grafene, al contrario, si verifica in un'ampia gamma di temperature fino alla temperatura ambiente, e con una luce non più intensa della normale luce solare.

La ragione di questa insolita risposta termica, Jarillo-Herrero dice, è che il grafene è, Libra per libra, il materiale più resistente conosciuto. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni surriscaldati trasferirebbero energia al reticolo che li circonda. Nel caso del grafene, però, è estremamente difficile da fare, poiché la forza del materiale significa che richiede un'energia molto elevata per far vibrare il suo reticolo di nuclei di carbonio, quindi molto poco del calore degli elettroni viene trasferito a quel reticolo.

Poiché questo fenomeno è così nuovo, Jarillo-Herrero dice che è difficile sapere quali potrebbero essere le sue applicazioni finali. “Il nostro lavoro è principalmente fisica fondamentale, "dice, ma aggiunge che "molte persone credono che il grafene possa essere utilizzato per un'intera varietà di applicazioni".

Ma ci sono già alcuni suggerimenti, dice:Il grafene "potrebbe essere un buon fotorilevatore" perché produce corrente in modo diverso rispetto ad altri materiali utilizzati per rilevare la luce. Inoltre "può rilevare in un intervallo di energia molto ampio, "Dice Jarillo-Herrero. Per esempio, funziona molto bene alla luce infrarossa, che può essere difficile da gestire per altri rilevatori. Ciò potrebbe renderlo un componente importante dei dispositivi, dai sistemi di visione notturna ai rivelatori avanzati per i nuovi telescopi astronomici.

Il nuovo lavoro suggerisce che il grafene potrebbe anche trovare usi nel rilevamento di molecole biologicamente importanti, come le tossine, vettori di malattie o contaminanti alimentari, molti dei quali emettono luce infrarossa quando sono illuminati. e grafene, fatto di carbonio puro e abbondante, potrebbe essere un materiale rivelatore molto più economico rispetto ai semiconduttori attualmente utilizzati che spesso includono rari, elementi costosi.

La ricerca suggerisce anche che il grafene potrebbe essere un materiale molto efficace per raccogliere l'energia solare, Jarillo-Herrero dice, perché risponde a un'ampia gamma di lunghezze d'onda; i materiali fotovoltaici tipici sono limitati a frequenze specifiche, o colori, di luce. Ma saranno necessarie ulteriori ricerche, lui dice, aggiungendo, “Non è ancora chiaro se possa essere utilizzato per una generazione efficiente di energia. È troppo presto per dirlo".

“Questa è l'infanzia assoluta dei fotorivelatori di grafene, "Dice Jarillo-Herrero. “Ci sono molti fattori che potrebbero renderlo migliore o più veloce, ” che sarà ora oggetto di ulteriori ricerche.

Filippo Kim, un professore associato di fisica alla Columbia University che non era coinvolto in questa ricerca, afferma che il lavoro rappresenta "un progresso estremamente importante verso applicazioni optoelettriche e di raccolta di energia" basate sul grafene. Aggiunge che grazie al lavoro di questa squadra, “ora abbiamo una migliore comprensione degli elettroni caldi generati dalla foto nel grafene, eccitato dalla luce.”