Questa settimana, un gruppo internazionale di scienziati sta segnalando una svolta nello sforzo di caratterizzare le proprietà del grafene in modo non invasivo mentre acquisisce informazioni sulla sua risposta alla deformazione strutturale.

Utilizzando la spettroscopia Raman e l'analisi statistica, il gruppo è riuscito a effettuare misurazioni su nanoscala della deformazione presente in ogni pixel sulla superficie del materiale. I ricercatori hanno anche ottenuto una visione ad alta risoluzione delle proprietà chimiche della superficie del grafene.

I risultati, dice Slava V. Rotkin, professore di fisica e anche di scienza e ingegneria dei materiali alla Lehigh University, potrebbe potenzialmente consentire agli scienziati di monitorare i livelli di deformazione in modo rapido e accurato mentre viene fabbricato il grafene. Questo a sua volta potrebbe aiutare a prevenire la formazione di difetti causati dalla deformazione.

"Gli scienziati sapevano già che la spettroscopia Raman poteva ottenere informazioni implicitamente utili sul ceppo nel grafene, " dice Rotkin. "Abbiamo mostrato esplicitamente che è possibile mappare il ceppo e raccogliere informazioni sui suoi effetti.

"Inoltre, utilizzando analisi statistiche, abbiamo mostrato che è possibile saperne di più sulla distribuzione della deformazione all'interno di ciascun pixel, quanto velocemente stanno cambiando i livelli di deformazione e l'effetto di questo cambiamento sulle proprietà elettroniche ed elastiche del grafene".

Il gruppo ha riportato i suoi risultati in Comunicazioni sulla natura in un articolo intitolato "Spettroscopia Raman come sonda di variazioni di deformazione su scala nanometrica nel grafene".

Oltre a Rotkin, l'articolo è stato scritto da ricercatori della RWTH/Aachen University e del Jülich Research Center in Germania; l'Université Paris in Francia; Universidade Federal Fluminense in Brasile; e l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.

Il grafene è il materiale più sottile conosciuto dalla scienza, e anche uno dei più forti. Un foglio di carbonio dello spessore di 1 atomo, il grafene è stato il primo materiale bidimensionale mai scoperto. A peso, è da 150 a 200 volte più resistente dell'acciaio. È anche flessibile, denso, praticamente trasparente e un eccellente conduttore di calore ed elettricità.

Nel 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno vinto il Premio Nobel per la fisica per i loro esperimenti innovativi con il grafene. Usando un normale nastro adesivo, i due fisici britannici sono riusciti a staccare strati di grafene dalla grafite, compito non facile considerando che 1 millimetro di grafite è costituito da 3 milioni di strati di grafene.

Nel decennio circa da quando Geim e Novoselov hanno iniziato a pubblicare i risultati delle loro ricerche sul grafene, il materiale ha trovato la sua strada in diverse applicazioni, che vanno dalle racchette da tennis ai touch screen degli smartphone. Il mercato 2013 del grafene negli Stati Uniti, secondo un articolo del 2014 su Nature, è stato stimato in 12 milioni di dollari.

Diversi ostacoli stanno ostacolando l'ulteriore commercializzazione del grafene. Uno di questi è la presenza di difetti che mettono a dura prova la struttura reticolare del grafene e influiscono negativamente sulle sue proprietà elettroniche e ottiche. Correlata a questo è la difficoltà nel produrre grafene di alta qualità a basso costo e in grandi quantità.

"Il grafene è stabile e flessibile e può espandersi senza rompersi, "dice Rotkin, che ha trascorso l'autunno del 2013 lavorando presso la RWTH/Università di Aquisgrana. "Ma ha le rughe, o bolle, sulla sua superficie, che conferiscono alla superficie un aspetto collinare e interferiscono con potenziali applicazioni."

Uno strato di grafene viene in genere realizzato su un substrato di biossido di silicio mediante un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Il materiale può essere deformato dalla contaminazione che si verifica durante il processo o perché il grafene e il substrato hanno coefficienti di espansione termica diversi e quindi si raffreddano e si restringono a velocità diverse.

Per determinare le proprietà del grafene, il gruppo ha utilizzato la spettroscopia Raman, una tecnica potente che raccoglie la luce diffusa dalla superficie di un materiale. Il gruppo ha anche applicato un campo magnetico per ottenere ulteriori informazioni sul grafene. Il campo magnetico controlla il comportamento degli elettroni nel grafene, rendendo possibile vedere più chiaramente gli effetti della spettroscopia Raman, dice Rotkin.

"Il segnale Raman rappresenta l'"impronta digitale" delle proprietà del grafene, " ha detto Rotkin. "Stiamo cercando di capire l'influenza del campo magnetico sul segnale Raman. Abbiamo variato il campo magnetico e notato che ogni linea Raman nel grafene cambiava in risposta a queste variazioni".

La risoluzione spaziale tipica della "mappa Raman" del grafene è di circa 500 nanometri (nm), o la larghezza del punto laser, il gruppo riportato in Comunicazioni sulla natura . Questa risoluzione consente di misurare le variazioni di deformazione su scala micrometrica e di determinare la quantità media di deformazione imposta al grafene.

Eseguendo un'analisi statistica del segnale Raman, però, il gruppo ha riferito di essere in grado di misurare la deformazione in ogni pixel e di mappare la deformazione, e le variazioni di tensione, un pixel alla volta.

Così, il gruppo ha riferito, era in grado di "distinguere tra variazioni di deformazione su scala micrometrica, che può essere estratto da mappe Raman spazialmente risolte, e variazioni di deformazione su scala nanometrica, che sono su scale di lunghezza sub-spot e non possono essere osservate direttamente dall'imaging Raman, ma sono considerati importanti fonti di dispersione per il trasporto elettronico."

Il gruppo ha prodotto i suoi campioni di grafene utilizzando la deposizione chimica in fase di vapore (CVD) presso la RWTH/Università di Aquisgrana.