Considerato da molti come il materiale più promettente del futuro, il grafene rimane ancora una sostanza costosa e difficile da fabbricare. Ricercatori dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia, e l'Istituto di ricerca interdisciplinare di Lille ha sviluppato un metodo a basso costo per la produzione di fogli di grafene multistrato. Il nuovo metodo non richiede alcuna attrezzatura specializzata e può essere implementato in qualsiasi laboratorio.

Un metodo a basso costo per la produzione di fogli di grafene è stato sviluppato in collaborazione all'interno di un progetto di ricerca dai team dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia e dell'Istituto di ricerca interdisciplinare (IRI) di Lille, Francia. Il metodo è abbastanza semplice da essere fornito in quasi tutti i laboratori in tutto il mondo.

Il grafene è stato scoperto nel 2004, staccando gli strati di carbonio dalla grafite usando un normale nastro adesivo. "In quello che era stato staccato i ricercatori sono stati in grado di trovare fogli dello spessore di un atomo. E quello era il grafene. Se pensiamo alle applicazioni industriali del grafene, dobbiamo trovare metodi più controllati per produrre questo materiale su larga scala, senza utilizzare un costoso, attrezzature specializzate", dice Izabela Kamińska, un dottorando dell'IPC PAS, borsista della Foundation for Polish Science nell'ambito dell'International PhD Projects Program. Kamińska ha condotto i suoi esperimenti presso l'International Research Institute.

Considerando la struttura, il grafene è un sistema bidimensionale composto da anelli di carbonio a sei membri. Il reticolo esagonale di grafene ricorda un nido d'ape, con la differenza che il foglio di grafene ha il minor spessore possibile:di un solo atomo.

Le proprietà insolite del grafene sono strettamente legate alla struttura unica. Il grafene è quasi completamente trasparente, più di cento volte più resistente dell'acciaio e molto flessibile. Allo stesso tempo mostra un'eccellente conduttività termica ed elettrica, che lo rende un buon materiale per applicazioni in elettronica, per esempio. per la produzione sottile, display flessibili e robusti o circuiti di elaborazione veloci. È anche adatto come materiale per vari sensori.

I metodi esistenti per fabbricare il grafene, inclusa la deposizione di uno strato epitassiale su un substrato metallico o carburo di silicio, o deposizione chimica o fisica da vapore - richiedono costosi, attrezzature specializzate e complesse procedure di produzione. Nel frattempo, l'unico apparato più complesso utilizzato nel metodo per produrre fogli di grafene sviluppato presso l'IPC PAS e l'IRI è un pulitore ad ultrasuoni, un'attrezzatura comune in molti laboratori.

Il nuovo processo per la produzione di fogli di grafene parte dalla grafite, uno di carbonio allotropo, a livello molecolare simile a un sandwich composto da molti piani di grafene. Questi fogli sono difficilmente separabili. Per indebolire le interazioni tra loro, la grafite deve essere ossidata, che di solito si realizza con il metodo Hummers. Una polvere così ottenuta – ossido di grafite – viene successivamente sospesa in acqua e posta in un pulitore ad ultrasuoni. Gli ultrasuoni esfoliano i fogli di grafene ossidati l'uno dall'altro e il colloide risultante contiene singoli fiocchi di ossido di grafene con un diametro di circa 300 nanometri.

I ricercatori dell'IPC PAS e dell'IRI hanno utilizzato l'ossido di grafene prodotto presso la Materials Science Division del North East Institute of Science and Technology (NEIST) a Dispur, India. "I colloidi di ossido di grafene dello spessore di un atomo erano un buon materiale di partenza, ma numerosi gruppi funzionali contenenti ossigeno sono diventati una vera difficoltà. Il problema era che cambiavano drasticamente le proprietà fisico-chimiche del materiale. Invece di un ottimo conduttore avevamo... un isolante", spiega Kamińska.

Per rimuovere l'ossigeno dai fiocchi di grafene, i ricercatori dell'IPC PAS e dell'IRI hanno deciso di utilizzare interazioni di impilamento pi-pi non covalenti tra gli anelli di carbonio dell'ossido di grafene e gli anelli aromatici di un composto chiamato tertathiafulvalene (TTF). Una molecola di TTF è composta da due anelli contenenti ciascuno tre atomi di carbonio e due di zolfo. "In pratica, era sufficiente mescolare l'ossido di grafene con il tertathiafulvalene, e poi mettere il tutto in un pulitore ad ultrasuoni. Le interazioni tra gli anelli di TTF e gli anelli di ossido di grafene hanno portato a una riduzione dell'ossido di grafene a grafene con una simultanea ossidazione delle molecole di TTF", descrive Kamińska.

Di conseguenza, il composto ottenuto conteneva scaglie di grafene con molecole di TTF intercalate al loro interno. Una goccia della soluzione composita è stata successivamente depositata su un elettrodo ed essiccata. I fiocchi di grafene formavano sulla superficie un rivestimento liscio con spessore controllabile da 100 a 500 nm che era composto da poche dozzine a poche centinaia di fogli alternati di grafene e molecole di TTF.

La fase finale nella produzione del rivestimento in grafene consisteva nell'espellere le molecole di tertatiafulvalene, che è stato ottenuto mediante una semplice reazione chimica con un composto opportunamente selezionato.

"Una delle nostre motivazioni per la ricerca era cercare nuovi metodi per rilevare le sostanze biologiche. Ecco perché dopo aver espulso il TTF dal rivestimento di grafene abbiamo verificato immediatamente se potevamo reincorporare la sostanza chimica nella matrice. Si è scoperto che sì. Pertanto è possibile sviluppare un processo che permetta di legare un composto selezionato a una molecola di TTF, e poi incorporare l'intero complesso in un foglio di grafene su un elettrodo e monitorare il flusso di corrente elettrica", riassume il Prof. Marcin Opałło (IPC PAS).

Una pubblicazione che descrive il nuovo metodo è apparsa all'inizio di quest'anno sulla rivista Comunicazioni chimiche , con la copertina che mostra la visualizzazione al computer dei fogli di grafene con TTF. Attualmente, i ricercatori dell'IPC PAS e dell'IRI continuano il loro lavoro sull'ulteriore diminuzione dello spessore della matrice di grafene. La fase finale ha raggiunto anche gli esperimenti che dimostrano che è possibile incorporare nel foglio di grafene molecole di TTF con annesso mannosio (uno dei monosaccaridi).