Un team internazionale di scienziati ha sviluppato un nuovo modo per produrre grafene a strato singolo da un semplice precursore:l'etene - noto anche come etilene - la più piccola molecola di alchene, che contiene solo due atomi di carbonio.

Riscaldando l'etene in fasi a una temperatura di poco superiore a 700 gradi Celsius, più calda di quanto fosse stato tentato in precedenza, i ricercatori hanno prodotto strati puri di grafene su un substrato di catalizzatore al rodio. Il riscaldamento graduale e la temperatura più elevata hanno superato le sfide viste nei precedenti sforzi per produrre grafene direttamente dai precursori di idrocarburi.

A causa del suo minor costo e semplicità, la tecnica potrebbe aprire nuove potenziali applicazioni per il grafene, che ha proprietà fisiche ed elettroniche attraenti. Il lavoro fornisce anche un nuovo meccanismo per l'autoevoluzione dei precursori dei cluster di carbonio la cui coalescenza di diffusione determina la formazione degli strati di grafene.

La ricerca, riportato come articolo di copertina nel numero del 4 maggio del Journal of Physical Chemistry C , è stato condotto da scienziati del Georgia Institute of Technology, Technische Universität München in Germania, e l'Università di St. Andrews in Scozia. Negli Stati Uniti, la ricerca è stata supportata dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica statunitense e dall'Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti.

"Dato che il grafene è fatto di carbonio, abbiamo deciso di iniziare con il tipo più semplice di molecole di carbonio e vedere se potevamo assemblarle in grafene, " ha spiegato Uzi Landman, un professore di Regents e F.E. Callaway dotato di cattedra presso la Georgia Tech School of Physics che ha guidato la componente teorica della ricerca. "Da piccole molecole contenenti carbonio, ti ritrovi con pezzi macroscopici di grafene."

Il grafene viene ora prodotto utilizzando una varietà di metodi tra cui la deposizione chimica da vapore, evaporazione del silicio dal carburo di silicio - e semplice esfoliazione dei fogli di grafene dalla grafite. Numerosi tentativi precedenti di produrre grafene da semplici precursori di idrocarburi si erano rivelati in gran parte infruttuosi, creando fuliggine disordinata piuttosto che grafene strutturato.

Guidati da un approccio teorico, i ricercatori hanno ragionato sul fatto che il percorso dall'etene al grafene implicherebbe la formazione di una serie di strutture poiché gli atomi di idrogeno lasciano le molecole di etene e gli atomi di carbonio autoassemblanti nel modello a nido d'ape che caratterizza il grafene. Per esplorare la natura delle trasformazioni catalizzate dalla superficie del rodio indotte termicamente da etene a grafene, gruppi sperimentali in Germania e Scozia hanno innalzato gradualmente la temperatura del materiale sotto vuoto ultra spinto. Hanno usato la microscopia a scansione-tunneling (STM), desorbimento termico programmato (TPD) e spettroscopia di perdita di energia di elettroni (vibrazionale) ad alta risoluzione (HREELS) per osservare e caratterizzare le strutture che si formano in ogni fase del processo.

Al riscaldamento, l'etene adsorbito sul catalizzatore di rodio evolve tramite reazioni di accoppiamento per formare idrocarburi poliaromatici unidimensionali segmentati (1D-PAH). Un ulteriore riscaldamento porta al crossover dimensionale - strutture da una dimensione a due dimensioni - e processi di ristrutturazione dinamica alla catena PAH terminano con un successivo distacco attivato di cluster di carbonio selettivi per dimensione, seguendo un meccanismo rivelato attraverso simulazioni di meccanica quantistica dei primi principi. Finalmente, La coalescenza diffusionale limitante la velocità di questi precursori a grappolo dinamicamente auto-evoluti porta alla condensazione in grafene con elevata purezza.

Nella fase finale prima della formazione del grafene, i ricercatori hanno osservato ammassi quasi rotondi simili a dischi contenenti 24 atomi di carbonio, che si allargano a formare il reticolo di grafene. "La temperatura deve essere aumentata all'interno di finestre di intervalli di temperatura per consentire la formazione delle strutture necessarie prima della fase successiva di riscaldamento, "Spiegò Landman. "Se ti fermi a certe temperature, è probabile che finirai con la coca."

Una componente importante è il processo di deidrogenazione che libera gli atomi di carbonio per formare forme intermedie, ma una parte dell'idrogeno risiede temporaneamente, o vicino, la superficie del catalizzatore metallico e assiste nel successivo processo di rottura del legame che porta al distacco dei precursori del cluster a 24 atomi di carbonio. "Tutto lungo la strada, c'è una perdita di idrogeno dai cluster, " ha detto Landman. "Alzare la temperatura essenzialmente "fa bollire" l'idrogeno dalla struttura di carbonio in evoluzione supportata da metallo, culminando in grafene."

La struttura di grafene risultante viene adsorbita sul catalizzatore. Può essere utile attaccato al metallo, ma per altre applicazioni, dovrà essere sviluppato un modo per rimuoverlo. Aggiunto Landman:"Questa è una nuova via per il grafene, e la possibile applicazione tecnologica è ancora da esplorare."