Il grafene è un materiale straordinariamente resistente dato che ha uno spessore di un solo atomo di carbonio. Ma trovare modi per fare qualcosa con esso – anche questo è conveniente – è sempre stata una sfida.

Gli scienziati sono da tempo entusiasti del potenziale del grafene per rivoluzionare le tecnologie, e persino considerarla una tecnologia stessa. Il grafene è il conduttore più noto di elettricità e calore. È anche la superficie più sottile e rappresenta il materiale meraviglioso di nuova generazione per le applicazioni quotidiane nell'elettronica.

Il Premio Nobel per la Fisica 2010 è stato assegnato a Konstantin Novoselov e Andre Geim per il loro lavoro pionieristico sulle proprietà elettroniche del grafene.

Seguì molto clamore nel mondo della scienza con concetti per rivoluzionare i display ei circuiti elettronici. Queste due aree costituiscono la base di molte tecnologie, quindi l'impatto del grafene è stato ampio.

Come fare il grafene

Per tali applicazioni, il grafene doveva essere prodotto industrialmente come grandi film sottili su un materiale di supporto. Ciò ha evidenziato due strade in cui il grafene potrebbe essere diretto:come componente elettronico; o come la tecnologia principale.

Ma queste direzioni erano piuttosto strette, in quanto si sono concentrati solo su potenziali exploit commerciali che coinvolgono le industrie elettroniche.

La domanda esagerata di commercializzazione del grafene ha rapidamente superato le sfide sovrapposte relative alla lavorazione dei nanomateriali. Come tale, nonostante tutto l'entusiasmo, il grafene non ha ancora trovato un uso diffuso perché è chimicamente difficile da elaborare.

Lascia che la chimica trovi un uso

Nel 2009 ho sviluppato la prima tecnica per produrre chimicamente il grafene in quantità su scala industriale.

Era chiaro che la chimica aveva un ruolo chiave da svolgere nell'uso futuro del materiale. Ora potremmo creare quantità di grammi e chilogrammi dei fogli di grafene atomo per atomo usando reazioni chimiche.

Il mio lavoro ha portato a molti tentativi da parte di ricercatori di tutto il mondo di trovare tecniche più praticabili per produrre grafene. Ogni tentativo tendente all'inventiva, strano, o più innovativo rispetto all'arte nota.

Abbiamo trovato una strada in cui non erano più necessarie apparecchiature costose e la polvere di grafene poteva essere trasportata con una durata di conservazione prolungata. Questo è ormai un obiettivo comune tra i ricercatori.

Questo sviluppo ha superato un fattore chiave che è stato trascurato durante l'era della fisica:il grafene è essenzialmente un materiale che è tutta superficie. L'interfaccia su una superficie è dove accadono cose eccitanti e dove operano i chimici.

Per fare qualcosa di utile con una superficie ne hai bisogno molto, e ora avevamo molto grafene. Le opzioni per ottenere molto materiale di grafene sono semplici. Inizia scavando la grafite dal terreno dai depositi naturali, o lo fai chimicamente in laboratorio.

Il grafene prodotto chimicamente offre una quantità relativamente grande di superficie per eseguire eccitanti reazioni chimiche. Ciò equivale ad avere un bel campo da calcio liscio su cui spostare un pallone da calcio.

Roba non appiccicosa questo grafene

Ma cambiare la struttura chimica del grafene mantenendo le sue superbe proprietà fisiche è incredibilmente difficile. Ciò è dovuto a un paradosso che consente l'esistenza stessa del grafene:la notevole stabilità della superficie del grafene.

Molecole come metalli e gas necessari per l'accumulo di energia semplicemente non si attaccano al grafene. Immagina se tutto ciò che hai messo sul tuo tavolo continuasse a cadere:il tavolo non sarebbe di grande utilità.

I tentativi di modificare la natura chimica del grafene si sono concentrati sull'attaccamento di un piccolo numero di molecole. Ciò ha limitato l'utilizzo del grafene nelle nanotecnologie, come la prossima generazione di batterie, i film di energia solare e le celle a combustibile comportano reazioni chimiche più complesse.

Le applicazioni che vedrebbero il grafene utilizzato in queste tecnologie richiederebbero molecole con una chimica versatile attaccata al grafene.

Porta boro a bordo

Insieme ai miei colleghi, abbiamo creato un nuovo materiale ibrido di grafene collegando direttamente i cluster di boro alla superficie del grafene.

Il trucco era usare la rete coniugata stabile nel grafene per intrappolare un cluster di boro altamente reattivo. L'associazione di questo tipo di sostanze chimiche sblocca proprietà del materiale completamente nuove e interessanti, come una migliore funzionalità e una reattività organizzata gerarchicamente.

Per esempio, il materiale potrebbe presto essere utilizzato per interagire con molecole biologiche, raccogliere la luce solare per l'uso nelle celle solari, e ancora i metalli per un efficiente stoccaggio dell'idrogeno.

Il lavoro fornirà una panoramica su come i materiali di grafene mantengono la loro funzione dopo l'elaborazione su larga scala. Ora possiamo eseguire reazioni chimiche esatte sul grafene che alla fine si tradurranno in tecnologie basate sul grafene più affidabili e convenienti.

Abbiamo spinto i confini su scala nanometrica e abbiamo iniziato a trovare nuovi modi per creare materiali da zero con proprietà affascinanti che possono essere commercializzati.

Questa storia è pubblicata per gentile concessione di The Conversation (sotto Creative Commons-Attribuzione/Nessun derivato).