Grafene, il materiale miracoloso ultrasottile solo un singolo atomo di carbonio di spessore, mantiene la promessa di applicazioni così impressionanti come resistente all'usura, rivestimenti privi di attrito. Ma prima i produttori devono essere in grado di produrre grandi fogli di grafene in condizioni controllate con precisione. Dirk van Baarle ha studiato come cresce il grafene su scala atomica e cosa determina l'attrito con altri materiali.

Qualità prevedibile

Un quasi perfettamente privo di attrito, rivestimento antiusura nei macchinari potrebbe generare enormi risparmi di carburante e manutenzione. Nel mondo della nanotecnologia tali rivestimenti avranno probabilmente anche applicazioni che attualmente non siamo in grado di prevedere. Nella sua ricerca di dottorato, Dirk van Baarle ha studiato un candidato per tali rivestimenti:il grafene. Van Baarle:"Produrre grafene di una qualità prevedibile è una vera sfida".

Il grafene è super resistente solo se la rete metallica di atomi di carbonio che costituisce il materiale ha una forma perfettamente regolare. Ma con gli attuali metodi di produzione, un foglio di grafene è in pratica quasi sempre costituito da un patchwork di piccoli pezzi che sono stati innestati l'uno sull'altro. Van Baarle è stato in grado di osservare dal vivo quasi per atomo di carbonio come le isole di grafene crescono l'una verso l'altra e come questo processo sia influenzato dalla temperatura e dal substrato. Questo è il primo passo verso un metodo di produzione per rendere più grandi, fogli di grafene impeccabili.

Modello di filo di pollo

Il grafene si forma spontaneamente quando una superficie di iridio molto pulita entra in contatto con l'etilene (C2H4, un idrocarburo) ad una temperatura di circa 700 gradi Celsius. Le molecole di gas si disintegrano sulla superficie calda, lasciando dietro di sé gli atomi di carbonio, che spontaneamente formano una rete di esagoni collegati, in un modello di filo di pollo.

Per la sua ricerca Van Baarle ha utilizzato un pezzo unico di attrezzatura nel laboratorio Huygens-Kamerlingh Onnes, il VT-STM (Variable Temperature Scanning Tunneling Microscope). Questo apparecchio comprende un minuscolo stilo con una punta dello spessore di pochi atomi. Può essere usato per scansionare sistematicamente una superficie con un grado di precisione così alto (quello che stai facendo è infatti misurare il flusso di elettricità tra lo stilo e la superficie) che si possono distinguere anche i singoli atomi. Ciò che rende unico lo strumento di Leiden è che può farlo anche a temperature elevate e variabili.

Una scoperta notevole è che i processi atomici non si verificano solo nello strato crescente di grafene. In pratica, la superficie dell'iridio non combacia perfettamente con gli strati atomici del substrato. L'iridio forma ampi gradini sulla superficie, dove cresce il grafene. Ma questi passaggi possono continuare a crescere sotto il grafene o possono ritirarsi a causa del riallineamento degli atomi di iridio nel substrato. Questo processo, pure, deve essere strettamente controllato per consentire la formazione di fogli perfetti di grafene.

Punti di contatto

Nella parte teorica della sua ricerca, Van Baarle ha sviluppato un modello di come si verifica l'attrito a livello atomico. Quando due superfici scorrono l'una sull'altra, i punti di contatto effettivi sono solo nanometri di dimensioni, solo pochissimi atomi. L'attrito è al massimo quando la rigidità delle nanoprotrusioni è grosso modo media:non troppo morbida, ma anche non troppo rigido.

Van Baarle:"Uno dei miei colleghi sta attualmente rivestendo un oggetto con nano-aghi utilizzando una tecnica di litografia (una tecnica utilizzata anche per i chip dei computer). Questi aghi variano in rigidità, a seconda della direzione in cui si piegano. Ciò significa che l'attrito della superficie è diverso nelle diverse direzioni." Questo può essere utile, Per esempio, per un rivestimento su un asse girevole, per evitare che si sposti lateralmente.

"Internamente stiamo già utilizzando rivestimenti in grafene nelle nostre apparecchiature per ridurre l'attrito senza utilizzare lubrificanti, " spiega Van Baarle. "Ha già portato a un brevetto e a una start-up, Nanostrati applicati. Non c'è da stupirsi che il nostro professore, Joost Frenken, ha già vinto un premio di valorizzazione".