Potresti aver sentito parlare di grafene, un foglio di puro carbonio, un atomo di spessore, è di gran moda nei circoli della scienza dei materiali, e ottenendo anche un sacco di clamore mediatico. I rapporti hanno sbandierato il grafene come un ultrasottile, fortissimo, superconduttivo, materiale super flessibile. Potresti essere scusato per aver pensato che potrebbe anche salvare tutta l'umanità da un destino certo.

Non esattamente. Nell'attuale mondo della nanoelettronica, c'è molto di più in corso oltre al semplice grafene. Uno dei materiali con cui lavoro, bisolfuro di molibdeno (MoS₂), è un materiale monostrato con proprietà interessanti oltre a quelle del grafene. MoS₂ può assorbire cinque volte più luce visibile del grafene, rendendolo utile in rilevatori di luce e celle solari. Inoltre, materiali ancora più nuovi come il borofene (un materiale a uno strato costituito da atomi di boro che si prevede sia meccanicamente più forte del grafene) vengono proposti e sintetizzati ogni giorno.

Questi e altri materiali ancora da scoprire verranno utilizzati come pezzi di Lego per costruire l'elettronica del futuro. Impilando più materiali in modi diversi, possiamo usufruire di diverse proprietà in ciascuno di essi. La nuova elettronica costruita con queste strutture combinate sarà più veloce, più piccoli, più resistente all'ambiente e più economico di quello che abbiamo ora.

Alla ricerca di un gap energetico

C'è una ragione chiave per cui il grafene non sarà il materiale versatile e curativo che l'hype potrebbe suggerire. Non puoi semplicemente impilare ripetutamente il grafene per ottenere quello che vuoi. La proprietà elettronica che impedisce ciò è la mancanza di ciò che viene chiamato "gap energetico". (Il termine più tecnico è "band gap".)

I metalli condurranno elettricità attraverso di loro indipendentemente dall'ambiente. Però, qualsiasi altro materiale che non sia un metallo ha bisogno di una piccola spinta di energia dall'esterno per far muovere gli elettroni attraverso il gap di banda e nello stato conduttivo. La quantità di spinta necessaria al materiale è chiamata gap energetico. Il gap energetico è uno dei fattori che determina quanta energia totale deve essere immessa nell'intero dispositivo elettrico, dal calore o dalla tensione elettrica applicata, per farlo condurre elettricità. In sostanza, devi inserire abbastanza energia di partenza se vuoi che il tuo dispositivo funzioni.

Alcuni materiali hanno uno spazio così grande che quasi nessuna quantità di energia può far fluire gli elettroni attraverso di essi. Questi materiali sono chiamati isolanti (si pensi al vetro). Altri materiali hanno uno spazio estremamente piccolo o nessun spazio vuoto. Questi materiali sono chiamati metalli (si pensi al rame). Ecco perché utilizziamo il rame (un metallo con conducibilità istantanea) per il cablaggio, mentre usiamo la plastica (un isolante che blocca l'elettricità) come rivestimento protettivo esterno.

tutto il resto, con spazi tra questi due estremi, si chiama semiconduttore (si pensi al silicio). semiconduttori, alla temperatura teorica dello zero assoluto, si comportano come isolanti perché non hanno energia termica per portare i loro elettroni nello stato conduttivo. A temperatura ambiente, però, calore dall'ambiente circostante fornisce energia appena sufficiente per ottenere alcuni elettroni (da cui il termine, "semi"-conduttore) sopra il piccolo intervallo di banda e nello stato di conduzione pronto a condurre elettricità.

Il gap energetico del grafene

Il grafene è infatti un semimetallo. Non ha gap energetico, il che significa che condurrà sempre elettricità - non puoi disattivare la sua conduttività.

Questo è un problema perché i dispositivi elettronici utilizzano la corrente elettrica per comunicare. Al loro livello più fondamentale, i computer comunicano inviando 1 e 0 – segnali di attivazione e disattivazione. Se i componenti di un computer fossero fatti di grafene, il sistema sarebbe sempre acceso, da tutte le parti. Non sarebbe in grado di svolgere compiti perché la sua mancanza di gap energetico impedisce al grafene di diventare mai uno zero; il computer continuava a leggere l'1 tutto il tempo. semiconduttori, al contrario, hanno un gap energetico sufficientemente piccolo da consentire ad alcuni elettroni di condurre elettricità, ma abbastanza grande da avere una chiara distinzione tra gli stati on e off.

Trovare i materiali giusti

Non tutte le speranze sono perse, però. I ricercatori stanno esaminando tre modi principali per affrontare questo problema:

Utilizzando nuovi materiali simili al grafene che in realtà hanno un gap energetico sufficiente e trovando modi per migliorare ulteriormente la loro conduttività. Alterare il grafene stesso per creare questo gap energetico. Combinare il grafene con altri materiali per ottimizzare le loro proprietà combinate.

Ci sono molti materiali a uno strato attualmente esaminati che in realtà hanno un gap energetico sufficiente. Uno di questi materiali, MoS₂, è stato studiato negli ultimi anni come potenziale sostituto del silicio tradizionale e anche come rilevatore di luce e sensore di gas.

L'unico inconveniente con questi altri materiali è che finora, non ne abbiamo trovato uno che corrisponda all'eccellente, sebbene sempre attiva, conduttività del grafene. Gli altri materiali possono essere spenti, ma quando acceso, non sono buoni come il grafene. Si stima che lo stesso MoS₂ abbia da 1/15 a 1/10 della conduttività del grafene in piccoli dispositivi. Ricercatori, incluso me, stanno ora cercando modi per alterare questi materiali per aumentarne la conduttività.

Usare il grafene come ingrediente

Stranamente, un gap energetico nel grafene può effettivamente essere indotto attraverso modifiche come piegarlo, trasformandolo in un nanonastro, inserendo sostanze chimiche estranee o utilizzando due strati di grafene. Ma ognuna di queste modifiche può ridurre la conduttività del grafene o limitare il modo in cui può essere utilizzato.

Per evitare configurazioni specializzate, potremmo semplicemente combinare il grafene con altri materiali. Facendo questo, stiamo anche combinando le proprietà dei materiali per ottenere i migliori benefici. Potremmo, Per esempio, inventare nuovi componenti elettronici che hanno un materiale che consente loro di spegnersi o accendersi (come MoS₂) ma hanno la grande conduttività del grafene quando sono accesi. Nuove celle solari funzioneranno su questo concetto.

Una struttura combinata potrebbe, Per esempio, essere un pannello solare realizzato per ambienti difficili:potremmo stratificare un sottile, materiale protettivo trasparente sopra un materiale di raccolta solare molto efficiente, che a sua volta potrebbe essere in cima a un materiale che è eccellente nel condurre l'elettricità a una batteria vicina. Altri strati intermedi potrebbero includere materiali in grado di rilevare selettivamente gas come metano o anidride carbonica.

I ricercatori stanno ora correndo per capire quale sia la migliore combinazione per diverse applicazioni. Chi trova la migliore combinazione alla fine vincerà numerosi diritti sui brevetti per prodotti elettronici migliorati.

La verità è, anche se, non sappiamo come sarà la nostra futura elettronica. Nuovi pezzi Lego vengono inventati continuamente; i modi in cui li impiliamo o li riordiniamo cambiano costantemente, pure. Tutto ciò che è certo è che l'interno dei dispositivi elettronici avrà un aspetto drasticamente diverso in futuro rispetto a oggi.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.