Una nuova tecnica inventata al Caltech per produrre grafene, un materiale costituito da uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, a temperatura ambiente potrebbe aiutare a spianare la strada a celle solari e diodi a emissione di luce a base di grafene commercialmente fattibili, schermi di grandi dimensioni, ed elettronica flessibile.

"Con questa nuova tecnica, possiamo coltivare grandi fogli di grafene di qualità elettronica in molto meno tempo e a temperature molto più basse, " dice lo scienziato dello staff di Caltech David Boyd, che ha sviluppato il metodo.

Boyd è il primo autore di un nuovo studio, pubblicato nel numero del 18 marzo della rivista Comunicazioni sulla natura , dettagliare il nuovo processo di fabbricazione e le nuove proprietà del grafene che produce.

Il grafene potrebbe rivoluzionare una varietà di campi ingegneristici e scientifici grazie alle sue proprietà uniche, che includono una resistenza alla trazione 200 volte più forte dell'acciaio e una mobilità elettrica di due o tre ordini di grandezza migliore del silicio. La mobilità elettrica di un materiale è una misura della facilità con cui gli elettroni possono viaggiare attraverso la sua superficie.

Però, raggiungere queste proprietà su scala industriale si è rivelato complicato. Le tecniche esistenti richiedono temperature troppo elevate—1, 800 gradi Fahrenheit, o 1, 000 gradi Celsius:per incorporare la fabbricazione del grafene con l'attuale produzione elettronica. Inoltre, la crescita ad alta temperatura del grafene tende a indurre grandi, deformazione – deformazione – distribuita in modo incontrollato nel materiale, che ne compromette gravemente le proprietà intrinseche.

"In precedenza, le persone erano in grado di coltivare solo pochi millimetri quadrati di grafene ad alta mobilità alla volta, e richiedeva temperature molto elevate, lunghi periodi di tempo, e tanti passi, " dice il professore di fisica del Caltech Nai-Chang Yeh, il co-direttore della Fletcher Jones Foundation del Kavli Nanoscience Institute e l'autore corrispondente del nuovo studio. "Il nostro nuovo metodo può produrre costantemente grafene ad alta mobilità e quasi senza deformazioni in un unico passaggio in pochi minuti senza alte temperature. Abbiamo creato campioni di dimensioni di pochi centimetri quadrati, e poiché pensiamo che il nostro metodo sia scalabile, crediamo di poter coltivare fogli fino a diversi pollici quadrati o più grandi, aprendo la strada ad applicazioni realistiche su larga scala."

Il nuovo processo di produzione potrebbe non essere stato scoperto del tutto se non per una fortunata svolta degli eventi. Nel 2012, ragazzo, poi lavorando nel laboratorio del compianto David Goodwin, a quel tempo un professore di ingegneria meccanica e fisica applicata al Caltech, stava cercando di riprodurre un processo di produzione del grafene di cui aveva letto in una rivista scientifica. In questo processo, il rame riscaldato viene utilizzato per catalizzare la crescita del grafene. "Ci stavo giocando durante l'ora di pranzo, "dice Boyd, che ora lavora con il gruppo di ricerca di Yeh. "Ma la ricetta non funzionava. Sembrava un processo molto semplice. Avevo persino un'attrezzatura migliore di quella usata nell'esperimento originale, quindi avrebbe dovuto essere più facile per me."

Durante uno dei suoi tentativi di riprodurre l'esperimento, il telefono squillò. Mentre Boyd rispondeva alla chiamata, ha involontariamente lasciato riscaldare una lamina di rame più a lungo del solito prima di esporla al vapore di metano, che fornisce gli atomi di carbonio necessari per la crescita del grafene.

Quando in seguito Boyd esaminò la lastra di rame usando la spettroscopia Raman, una tecnica utilizzata per rilevare e identificare il grafene, vide la prova che si era effettivamente formato uno strato di grafene. "Era un 'A-ha!' momento, "dice Boyd. "Ho capito allora che il trucco per crescere è avere una superficie molto pulita, uno senza l'ossido di rame."

Come ricorda Boyd, si ricordò poi che Robert Millikan, fisico premio Nobel e capo del Caltech dal 1921 al 1945, dovette anche fare i conti con la rimozione dell'ossido di rame quando eseguì il suo famoso esperimento del 1916 per misurare la costante di Planck, che è importante per calcolare la quantità di energia di una singola particella di luce, o fotone, Boyd si chiese se lui, come Millikan, potrebbe escogitare un metodo per pulire il suo rame mentre era in condizioni di vuoto.

La soluzione a cui si è imbattuto Boyd è stata quella di utilizzare un sistema sviluppato per la prima volta negli anni '60 per generare un plasma di idrogeno, ovvero gas idrogeno che è stato elettrificato per separare gli elettroni dai protoni, per rimuovere l'ossido di rame a temperature molto più basse. I suoi esperimenti iniziali hanno rivelato non solo che la tecnica funzionava per rimuovere l'ossido di rame, ma che contemporaneamente produceva anche grafene.

All'inizio, Boyd non riusciva a capire perché la tecnica avesse così tanto successo. In seguito scoprì che due valvole che perdevano lasciavano entrare tracce di metano nella camera dell'esperimento. "Le valvole lasciavano entrare la giusta quantità di metano per far crescere il grafene, " lui dice.

La capacità di produrre grafene senza la necessità di riscaldamento attivo non solo riduce i costi di produzione, ma si traduce anche in un prodotto migliore perché vengono generati meno difetti, introdotti a seguito di processi di espansione e contrazione termica. Questo a sua volta elimina la necessità di più passaggi di postproduzione. "Tipicamente, ci vogliono circa dieci ore e da nove a dieci diversi passaggi per realizzare un lotto di grafene ad alta mobilità utilizzando metodi di crescita ad alta temperatura, " Yeh dice. "Il nostro processo prevede un passaggio, e ci vogliono cinque minuti."

Il lavoro del gruppo di Yeh e dei collaboratori internazionali ha poi rivelato che il grafene prodotto con la nuova tecnica è di qualità superiore rispetto al grafene prodotto con metodi convenzionali:è più forte perché contiene meno difetti che potrebbero indebolirne la resistenza meccanica, e ha la più alta mobilità elettrica mai misurata per il grafene sintetico.

Il team pensa che uno dei motivi per cui la loro tecnica è così efficiente è che una reazione chimica tra il plasma di idrogeno e le molecole d'aria nell'atmosfera della camera genera radicali ciano, molecole di carbonio-azoto che sono state private dei loro elettroni. Come minuscoli superscrubber, queste molecole cariche puliscono efficacemente il rame delle imperfezioni superficiali fornendo una superficie incontaminata su cui far crescere il grafene.

Gli scienziati hanno anche scoperto che il loro grafene cresce in modo speciale. Il grafene prodotto utilizzando processi termici convenzionali cresce da un mosaico casuale di deposizioni. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Per esempio, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "Nel futuro, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

Another possibility, she says, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."