Potresti pensare che un tale nuovo "materiale meraviglioso" si trovi al di fuori della tua esperienza quotidiana, ma il grafene è l'eccezione. Quando scrivi o disegni con una matita, la grafite (la 'mina' della matita) scivola via in strati sottili per lasciare una scia:la linea sulla carta. La capacità del carbonio di formare un sottile strato di molecole è ciò che rende speciale il grafene e gli scienziati stanno iniziando a esplorare le possibilità per l'elettronica e il calcolo di griglie di carbonio spesse solo una molecola.
L'industria dei semiconduttori è la base dell'economia high-tech di oggi, supportando direttamente oltre 100, 000 posti di lavoro in Europa, e indirettamente ancora di più. Ciò è stato ottenuto attraverso la continua miniaturizzazione della tecnologia "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" (CMOS), a base di silicio. Ma questo modello durerà solo per altri 10 o 15 anni.
La sfida principale per l'industria ICT è trovare alternative per l'elaborazione e l'archiviazione delle informazioni oltre i limiti del CMOS esistente. Ci sono buone indicazioni che il grafene sia un ottimo candidato per i componenti "Beyond CMOS", ed è, nonostante la sua natura rivoluzionaria, complementari alle tradizionali tecnologie CMOS.
Il grafene è stato oggetto di un'esplosione scientifica sin dagli esperimenti pionieristici su questo nuovo materiale meno di 10 anni fa, riconosciuto dal Premio Nobel per la Fisica nel 2010 assegnato al Professor Andre Geim e al Professor Kostya Novoselov, presso l'Università di Manchester. Le notevoli proprietà elettriche del grafene possono superare i limiti fisici delle facce del silicio mentre i transistor si riducono a dimensioni sempre più piccole, fornendo soluzioni per l'era "Beyond CMOS", necessarie per affrontare le sfide della concorrenza globale.
Riunendo più discipline e affrontando la ricerca su un'intera gamma di questioni, dalla comprensione fondamentale delle proprietà dei materiali alla produzione di grafene, il Flagship GRAPHENE è stato lanciato nell'ottobre 2013. La ricerca proposta include elettronica, spintronica, fotonica, plasmonica e meccanica - tutti basati sul grafene.
Guidati dal professor Jari Kinaret, della Chalmers University in Svezia, il Flagship coinvolge oltre 126 gruppi di ricerca accademica e industriale in 17 paesi europei, con 136 investigatori principali, compresi quattro premi Nobel. Con un budget iniziale di 30 mesi di 54 milioni di euro, il consorzio GRAPHENE crescerà per includere altri 20-30 gruppi attraverso un invito aperto a presentare proposte di progetto a novembre, fino a un totale di 9 milioni di euro.
'La produzione di grafene è ovviamente fondamentale per il nostro progetto, ' ha detto il Prof. Kinaret al lancio, ma le applicazioni chiave da esaminare includono dispositivi elettronici e ottici veloci, elettronica flessibile, componenti leggeri funzionali e batterie avanzate. Esempi di nuovi prodotti abilitati dalle tecnologie del grafene includono veloce, elettronica di consumo flessibile e resistente, come carta elettronica e dispositivi di comunicazione personale pieghevoli, così come aeroplani più leggeri e più efficienti dal punto di vista energetico. A lungo termine, si prevede che il grafene dia origine a nuovi paradigmi computazionali e applicazioni mediche rivoluzionarie, come le retine artificiali.
Salpa:il grafene come fiore all'occhiello del FET
Descritta dal vicepresidente della Commissione europea Neelie Kroes come un'"impresa audace", le iniziative faro "Tecnologie future ed emergenti" (FET) sono visionarie, su larga scala, iniziative di ricerca scientifica che affrontano sfide scientifiche e tecnologiche in tutte le discipline scientifiche. Questi nuovi strumenti di finanziamento della ricerca dell'UE favoriscono sforzi coordinati tra l'UE e i programmi nazionali e regionali degli Stati membri, sono molto ambiziosi, e fare affidamento sulla cooperazione tra una serie di discipline, comunità e programmi - che richiedono supporto fino a 10 anni. Dopo la fase di avvio, in corso fino a marzo 2016 nell'ambito dell'attuale "Settimo programma quadro" dell'UE per la ricerca (7° PQ), i lavori proseguiranno nell'ambito del prossimo programma, "Orizzonte 2020", con una previsione di 50 milioni di euro all'anno per il progetto Flagship.
Il grafene è stato scelto come fiore all'occhiello a seguito di una competizione tra sei progetti pilota per studiare le aree con il maggior potenziale per investimenti sostenuti. Come ha affermato l'onorevole Kroes:“La posizione dell'Europa come superpotenza della conoscenza dipende dal pensare l'impensabile e dallo sfruttare le idee migliori. Questa competizione multimiliardaria premia le scoperte scientifiche fatte in casa e dimostra che quando siamo ambiziosi possiamo sviluppare la migliore ricerca in Europa.'
L'ammiraglia pilota per il grafene, il progetto GRAPHENE-CA, ha esaminato come gli sviluppi in questo materiale a base di carbonio potrebbero rivoluzionare le TIC e l'industria. Il progetto pilota ha stabilito una tabella di marcia scientifica e tecnologica completa per fungere da base per l'agenda di ricerca del Flagship GRAPHENE - che copre l'elettronica, spintronica, fotonica, plasmonica e meccanica, e supportare aree come la produzione di grafene e la chimica. E questa è stata la base su cui è stato selezionato.
Ora il Flagship è attivo e funzionante, comprende già un gruppo di ricerca di portata vertiginosa. Ci sono università di Lovanio in Belgio, Aalto in Finlandia, Lille e Strasburgo in Francia, Brema, Chemnitz, Dresda e Amburgo in Germania, Giannina in Grecia, Dublino in Irlanda, Trieste in Italia, Minho in Portogallo, Barcellona e Castilla-La Mancha in Spagna, Basilea, Ginevra e Zurigo in Svizzera, Delft e Groningen nei Paesi Bassi, e Cambridge, Manchester e Oxford nel Regno Unito. Questi sono completati da politecnici e istituti di tecnologia dall'Austria, Danimarca, Francia, Germania, Grecia, Italia, Polonia, Spagna, Svezia e Svizzera. Inoltre, ci sono partner industriali come Nokia, Talete, Alcatel Lucent, Tecnologia Philips, Airbus e ST Microelectronics. E questo elenco rappresenta solo una parte delle organizzazioni partecipanti.
La loro missione è prendere il grafene, e relativi materiali stratificati, dai laboratori accademici alla società - rivoluzionando molteplici settori e creando crescita economica e nuovi posti di lavoro in Europa.
'La Commissione, e tutti i partner accademici e industriali del Flagship Graphene, sono tutti in questo insieme. È un impegno insolitamente a lungo termine, e ci saranno sfide, sia chiaro su questo, ' ha detto Carl-Christian Buhr, membro del gabinetto della signora Kroes. 'Dobbiamo coinvolgere l'industria in modo tale che le idee vengano raccolte e portino a nuovi prodotti e mercati. Questa è l'intera idea dell'ammiraglia».
Infatti, include una serie completa di attività complementari per raggiungere questo obiettivo, come:
Un tipo di progetto ERA-NET, ERA DELLA BANDIERA, supportare il Flagship nel coordinamento di iniziative di ricerca nazionali sul grafene.
Primi risultati
Alcune delle ricerche sul grafene precedentemente finanziate dall'UE stanno già dando risultati. Il progetto GRAND (4), conclusosi a dicembre 2010, ha esaminato se il grafene avrebbe ancora funzionato a meraviglia se integrato con il processo CMOS al silicio.
Guidato da AMO in Germania, il team del progetto si è proposto di valutare se il grafene potesse davvero portare la tecnologia dei semiconduttori convenzionale nell'era "Oltre il CMOS". Il consorzio GRAND ha sviluppato metodi per fabbricare nanostrutture di grafene bidimensionali (con larghezze di soli 5 nm di diametro) da utilizzare nei componenti elettronici. Era importante dimostrare che non solo tali componenti potevano funzionare, ma che potrebbero essere fabbricati in un modo che potrebbe essere scalato fino a quantità industriali.
Di conseguenza, il team ha progettato un nuovo tipo di transistor, con il concetto pubblicato sulla rinomata rivista Lettere di fisica applicata - che potrebbe aprire nuove strade per dispositivi elettronici e optoelettronici ad alta velocità basati sul grafene.
Nell'ambito del progetto GRAND, il grafene è stato anche integrato in un dispositivo di memoria non volatile che potrebbe essere ridotto a dimensioni molecolari:una memoria al grafene che misura solo 1x1 nm che conserva le informazioni in essa memorizzate anche quando l'alimentazione è spenta. Il team ha fabbricato più di 10 di questi dispositivi, indicando la loro scalabilità.
Guidato dalla Chalmers University of Technology, Svezia, il progetto CONCEPTGRAPHENE si proponeva di sbloccare il potenziale del deposito di un sottile strato di grafene su una base di carburo di silicio (SiC), con l'obiettivo di sviluppare un'elettronica scalabile con potenziali applicazioni nella "spintronica" e dispositivi di misurazione ultra precisi. Il team ha lavorato alla fabbricazione di wafer di grafene su larga scala che consentissero di produrre dispositivi elettronici ad alta densità su un singolo wafer di silicio. Questo tipo di tecnologia sarà necessario per la produzione industriale su vasta scala di componenti e dispositivi a base di grafene in modo compatibile con le attuali tecniche industriali.
Terminato a settembre 2013, il progetto ha lanciato una start-up che produrrà wafer di grafene. Graphensic AB si trova a Linköping, Svezia. L'azienda è uno spin-off dell'Università di Linköping e produce prodotti di alta qualità, altamente uniforme, grafene su carburo di silicio (SiC) utilizzando un "processo di grafene ad alta temperatura" brevettato - un metodo di crescita che produce un sottile strato di grafene, anche un singolo strato di atomi, su SiC.
Altro da dove viene
Ma il grafene non è l'unico materiale innovativo che potrebbe trasformare l'elettronica - il progetto 2D-NANOLATTICES, termina a maggio 2014, sta lavorando su altre strutture a reticolo molecolare simili alla grafite basate su elementi diversi. Questi "nanolattici" hanno anche un grande potenziale per aprire la strada a sempre più piccoli, e più potente, dispositivi nanoelettronici. In particolare, 'silicene' (o 'germanene'), l'equivalente in silicio o germanio del grafene, se esistono, può offrire una migliore compatibilità con la lavorazione del silicio.
Guidato dal Centro nazionale per la ricerca scientifica 'Demokritos', in Grecia, the project team aims to find ways to induce and stabilise the silicon and germanium and prove for the first time that silicene has a physical existence. By producing alternating layers weakly bonded between one another, each consisting of a single layer of atoms, this new material could serve as the elements of gates and other components in new, miniaturised 2D semiconductors.
Perhaps we are still in the early stages, but these look to be the first steps in a transformation of the way electronics devices are made - and in their abilities - with the potential to similarly transform the European high-tech industry and economy.
