I mattoncini su scala atomica che sono stati paragonati a microscopici Lego stanno permettendo ai ricercatori di giocare con le proprietà dei materiali comuni, e le possibilità sono così grandi che potrebbe tenere impegnati gli scienziati per i prossimi 50 anni.

Dall'età della pietra alla Silicon Valley, i materiali hanno definito le capacità tecnologiche delle civiltà.

Il professor Andre Geim dell'Università di Manchester nel Regno Unito conosce bene la cassetta degli attrezzi disponibile oggi. Nel 2010, è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica per averlo esteso con una forma esotica di carbonio nota come grafene.

A differenza dei materiali provenienti dalla natura, il grafene è una creazione della scienza. Viene staccata dalla grafite in motivi a nido d'ape sottili come un singolo atomo. Le leggi quantistiche prevalenti su queste scale minuscole fanno sì che gli elettroni si muovano attraverso il grafene in modi insoliti.

"Il grafene può essere più forte dell'acciaio, più conduttivo del rame e trasparente come il vetro, ' ha detto il prof. Geim. "È diverso da qualsiasi sostanza presente in natura."

Ora, nell'ambito del progetto ARTIMATTER finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca dell'UE, Il prof. Geim sta adattando la materia con caratteristiche ancora più stravaganti impilando il grafene sopra altri materiali atomicamente sottili.

Mescolando e abbinando strati bidimensionali costituiti da elementi diversi si ottengono notevoli proprietà fisiche. Secondo il prof. Geim, la giusta combinazione di elementi costitutivi può trasformare i materiali isolanti in conduttori, accordare i colori che assorbono, e sincronizzare il comportamento degli elettroni al loro interno.

Queste capacità derivano da profonde alterazioni nel comportamento dei materiali. Imbrigliato correttamente, potrebbero superare le barriere stabilite nell'elettronica moderna, come la riduzione del tempo di risposta dei rivelatori a infrarossi lontani, o forse anche sostenere la superconduttività a temperatura ambiente.

I nuovi elementi costitutivi forniscono anche strumenti per testare teorie scientifiche ed esplorare nuovi fenomeni. Ciò che apprendiamo dalle loro eccentricità potrebbe avere un impatto sulla tecnologia futura tanto profondamente quanto la fisica dei semiconduttori ha trasformato oggi il settore informatico e delle telecomunicazioni.

Infinite possibilità

'Scientificamente parlando, il grafene è fatto. Ora capiamo come funziona e stiamo trovando applicazioni per esso, ' ha detto il prof. Geim. 'Ma le possibilità di combinare il grafene con altri materiali atomicamente sottili sono quasi infinite. Non vedo che questo lavoro con i Lego sarà finito nei prossimi 50 anni.'

Uno dei motivi per cui è difficile prevedere i potenziali risultati dei mattoni nanoscopici è che i computer che calcolano come si incastrano non sono abbastanza potenti da tenere conto della loro piena complessità.

Dott.ssa Barbara Capone dell'Università di Vienna, Austria, e Università Roma Tre, Italia, sta lavorando sui polimeri:lunghe catene di atomi che ripetono milioni di volte la stessa sequenza.

Sebbene i responsabili del trattamento dei dati possano prevedere come si comportano questi elementi costitutivi quando sono soli o in gruppi densi, non possono seguire le reazioni che si verificano quando le concentrazioni di polimeri sparsi si mescolano.

"Possiamo simulare come si comportano i singoli atomi in singole molecole, e per concentrazioni dense, possiamo fare la media di miliardi di capricci e stranezze, ' ha detto il dottor Capone. "Ma ciò che accade tra questi estremi rimane misterioso perché ci sono troppe molecole da tracciare e troppo poche da cui generalizzare".

Di dimensioni ridotte

Il dottor Capone ha passato anni a perfezionare metodi statistici in fisica teorica per aiutare i computer a fare i conti con la complessità. Invece di seguire ogni pezzo del puzzle contemporaneamente, raggruppa le reazioni in regioni di dimensioni ridotte e modella le interazioni tra le loro medie locali. Quando applicato a concentrazioni di polimeri sparsi, le sue semplificazioni stanno rivelando gemme tra il disordine.

"Questi polimeri sono elementi costitutivi notevoli, ' ha detto il dottor Capone. 'A seconda di quanto lunghi e densi li facciamo, o come innestiamo le catene l'una all'altra, si piegano in forme completamente diverse.'

In linea di principio, il giusto mix di ingredienti potrebbe formarsi spontaneamente nelle colonne cubiche dei comuni cristalli semiconduttori, la rete amorfa del vetro, o anche la struttura a nido d'ape del grafene.

Questa è una buona notizia per chiunque lavori su materiali per l'elettronica. Scolpire le griglie atomiche perfette necessarie per costruire transistor o celle solari di alta qualità richiede attualmente grandi quantità di tempo ed energia.

I colleghi del dottor Capone stanno facendo passi sperimentali verso un'altra applicazione. Nell'ambito del progetto NANODRIVE finanziato dall'UE, produrranno polimeri a forma di stella che collassano reagendo con un dato composto e poi rilasciano il loro carico al raggiungimento dell'ambiente desiderato.

Questo è essenzialmente il modo in cui i farmaci forniscono sostanze chimiche, solo loro lo fanno con molecole tortuosamente complicate. Semplificare i componenti potrebbe rendere il processo più economico e versatile.

'Le opportunità sono infinite, ' ha detto il dottor Capone, che lancerà NANODRIVE questo mese. 'Con alcuni aggiustamenti, questi polimeri potrebbero formare strutture che incapsulano gli inquinanti e li filtrano dall'acqua potabile.'

La dottoressa Capone afferma di essere entusiasta sia dei benefici sociali che una tale tecnologia potrebbe apportare alle situazioni di emergenza sia dell'intuizione che i mattoni di base potrebbero offrire su aspetti fisici, processi chimici e biologici che avvengono su scala nanometrica.

'Sono sempre stato interessato a trovare il modo più semplice per fare qualcosa di complicato, ' ha detto il dottor Capone. "Spesso è il modo migliore per capire come funziona."