(Phys.org) —Un materiale non può diventare più sottile. Il grafene è costituito da un solo strato di atomi di carbonio. Però, non è l'unico motivo per cui gli scienziati dei materiali sono interessati a questo materiale:sono principalmente affascinati dalle sue straordinarie proprietà. Linjie Zhi e il suo gruppo di partner presso il Max Planck Institute for Polymer Research stanno utilizzando la chimica per ottimizzare il grafene per varie applicazioni.

Grafene, uno strato sottilissimo di carbonio con una struttura che ricorda il filo di pollo, è il tuttofare della ricerca sui materiali. È solo uno strato atomico spesso, in laboratorio è 200 volte più resistente dell'acciaio, conduce l'elettricità 100 volte meglio del silicio, è flessibile come una plastica, e nei singoli strati è quasi trasparente come il vetro. I fisici e gli scienziati dei materiali sono entusiasti. Ma gli scienziati di altre discipline mostrano scarso interesse.

Abbastanza sbagliato, crede Linjie Zhi:"Finora, la ricerca scientifica si è concentrata quasi esclusivamente sulle proprietà fisiche del grafene, ma il suo comportamento chimico è almeno altrettanto eccitante", dice il chimico. Zhi, chi, presso il National Center for Nanoscience and Technology di Pechino, dirige il gruppo di partner "Nanomateriali ricchi di carbonio" dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri di Magonza sta utilizzando la chimica del materiale per ottimizzarne le proprietà per applicazioni specifiche.

Nel suo laboratorio all'ottavo piano del National Center for Nanoscience and Technology di Pechino, ci sono innumerevoli fiale che contengono quelli che a prima vista sembrano contenuti anonimi. I contenitori sono etichettati in modo ordinato, con un misto di numeri e caratteri cinesi. Il loro contenuto è principalmente nero profondo, ma a volte anche ruggine perché, in gran numero, i fogli di grafene assorbono molta luce. La maggior parte delle fiale contiene una polvere; alcune, però, tenere uno spessore, liquido scuro.

Tutte le sostanze, anche se, sono particelle di grafene in diverse forme e composizioni. Sono destinati all'uso come prodotti di partenza per reazioni chimiche per creare batterie ad alte prestazioni, touchscreen più flessibili e catalizzatori più efficienti. "Fondamentalmente, il grafene non è altro che un elemento costitutivo estremamente interessante per nuove applicazioni", dice Zhi.

Il suo interesse per il materiale meraviglioso, la cui prima produzione sperimentale è stata insignita del Premio Nobel nel 2010, va molto indietro nel tempo:dopo aver conseguito il dottorato in chimica del carbone, Zhi ha lavorato per cinque anni nel gruppo di chimica sintetica di Klaus Müllen presso il Max Planck Institute for Polymer Research, dove ha avuto modo di conoscere e amare il grafene. "Dopo alcuni anni, abbiamo capito che, utilizzando la strategia corretta, blocchi di grafene possono essere utilizzati per produrre materiali altamente promettenti con proprietà uniche", dice il chimico.

Quando Zhi è tornato in Cina nel 2008 e ha costituito il proprio gruppo di lavoro, questa conoscenza non era tutto ciò che portava con sé - aveva anche i suoi contatti in Germania. "Aveva semplicemente senso mettere l'esperienza di sintesi del professor Müllen insieme alla competenza sui materiali del professor Zhi in un gruppo di partner", dice Manfred Wagner, che coordina le attività sino-tedesche a Magonza.

Le piastrine di grafene utilizzate nel laboratorio di Zhi come materiale per tutti i tipi di applicazioni sono costituite da poche centinaia, a volte anche qualche migliaio, atomi di carbonio. Da soli, però, le molecole bidimensionali, che può avere dimensioni fino a dieci nanometri, mostrano scarso interesse a combinarsi tra loro. Sono come i mattoncini Lego senza le manopole.

Ma è una storia diversa una volta che il grafene è stato trattato chimicamente. Un approccio molto promettente, su cui i chimici del team di Klaus Müllen indagano già da tempo, comporta l'incorporazione di altri atomi o gruppi di atomi in posizioni precisamente definite nella struttura del grafene:azoto, l'ossigeno o un gruppo ossidrile costituito da ossigeno e idrogeno hanno diversi livelli di attività chimica e si comportano anche diversamente dal carbonio. Se sono posizionati nella posizione corretta, il potenziale di reazione del blocco di grafene viene modificato in quel punto, con conseguente formazione di manopole virtuali. Ora è possibile assemblare strutture più grandi.

L'unico intoppo è portare i gruppi o gli atomi chimicamente attivi nella posizione corretta. "Le giuste condizioni di reazione sono assolutamente vitali", dice Linjie Zhi. Temperatura, pressione, pH, la composizione della soluzione o dell'atmosfera in cui avviene la reazione, determinare il risultato finale. "I legami chimici spesso si formano in condizioni ben definite, il che significa che possiamo selezionare l'esatta posizione delle nostre molecole", dice Zhi.

Le condizioni devono anche essere giuste per il passaggio successivo:l'assemblaggio chimico del grafene manipolato. Se le condizioni sono giuste, alla fine si possono ottenere strutture con proprietà sorprendenti, ad esempio per le nuove batterie:le odierne batterie agli ioni di litio utilizzano la grafite come anodo (che è il nome che i fisici danno all'elettrodo che accetta particelle caricate negativamente), una forma di carbonio che consiste sostanzialmente di migliaia di strati di grafene. "Questi strati sono, però, troppo allungato per applicazioni efficienti", dice Zhi. Gli ioni non possono penetrare facilmente, e caricare e scaricare le batterie richiede molto tempo.

Diverso è il discorso per le piastrine di grafene prodotte a Pechino:sono abbastanza grandi da condurre bene l'elettricità, ma non così grandi da impedire agli ioni di accedere facilmente al materiale. Per costruire batterie migliori, Zhi e il suo team stanno posizionando gli elementi costitutivi modificati chimicamente in una sorta di tunnel delle dimensioni di pochi nanometri. Nel tunnel, si formano colonne di strati di grafene perfettamente ordinati che possono, a sua volta, essere processato per formare un elettrodo poroso. Poiché le colonne sono estremamente sottili, gli ioni della batteria caricati negativamente possono rilasciare prontamente la loro carica.

"Mentre oggi possono essere necessarie dalle otto alle dieci ore per caricare un'auto elettrica, con le nostre batterie ci vorrebbe solo un'ora", dice Zhi. Ciò che questa nuova tecnica può realmente ottenere è attualmente oggetto di indagine nel laboratorio accanto dove dozzine di batterie auto-fabbricate, sembrano pile a bottone avvolte in una pellicola di plastica, pendono dagli strumenti di misura e stanno attraversando cicli di prova. I primi risultati sembrano incoraggianti.

Un'altra stanza ospita l'altro grande esperimento su cui il Gruppo Partner sta attualmente lavorando:touchscreen flessibili con elettrodi di grafene. Gli smartphone di oggi utilizzano principalmente contatti elettrici di ossido di indio-stagno nei loro schermi sensibili al tocco, che è un materiale fragile il cui prezzo è aumentato vertiginosamente negli ultimi anni a causa della diminuzione delle scorte di indio.

Grafene, che è contemporaneamente conduttivo, trasparente e flessibile, è già stata a lungo considerata un'alternativa molto promettente. Quello che è mancato finora però è un processo produttivo in grado di produrre i film a basso costo, in alta qualità e su larga scala. Nel metodo attualmente preferito, deposizione chimica da vapore (CVD), gli atomi di carbonio si depositano ad esempio su una superficie metallica dove formano un sottile film di grafene. Però, questo deve poi essere trasferito su un film di supporto che è costoso e spesso ne pregiudica la qualità.

All'ottavo piano del National Center for Nanoscience and Technology, Zhi e i suoi colleghi scommettono sulla chimica come risposta:i ricercatori con sede a Pechino prendono la grafite, convertirlo in ossido di grafene, produrre un film sottile su un film di polietilene e quindi espellere l'ossigeno dall'ossido di grafene in una reazione chimica nota come riduzione. Però, le pellicole risultanti sono spesso di scarsa qualità con molti difetti.

Una piccola linea di produzione nel laboratorio di Linjie Zhi mostra che le cose possono andare diversamente. All'inizio della linea, c'è il ben arrotolato, pellicola non trattata. Alla fine ci sono gli impianti per il trattamento del prodotto finito. La reazione vera e propria avviene nel mezzo, in una scatola marrone anonima, che è anche il luogo dove è necessario il maggior lavoro:"Fondamentalmente, si tratta di trovare il corretto processo di selezione", dice Linjie Zhi. "Abbiamo bisogno di elementi costitutivi affidabili che siano il più grandi possibile, lavorare nel miglior modo possibile, e avere il minor numero possibile di difetti."

Dopo tre anni come Partner Group del Max Planck Institute for Polymer Research, i risultati sono ormai diventati "estremamente promettenti", dice Zhi. I film di grafene prodotti dalla piccola linea di produzione hanno una qualità accettabile, trasparenza e conducibilità. Soprattutto, però, sono nettamente più economici dei prodotti concorrenti ottenuti per deposizione da vapore.

Questo ha attirato l'interesse industriale. Sono già in corso le prime trattative con le aziende che intendono utilizzare la nuova tecnologia su scala commerciale.