Ogni strato atomico sottile, resistente allo strappo, e stabile. Il grafene è visto come il materiale del futuro. È ideale per es. producendo elettronica ultraleggera o componenti meccanici altamente stabili. Ma i sottilissimi strati di carbonio sono difficili da produrre. Presso l'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM), Jürgen Kraus ha prodotto membrane autoportanti in grafene, e allo stesso tempo ha studiato e ottimizzato sistematicamente la crescita dei cristalli di grafene. Per il suo lavoro è stato insignito dell'Evonik Research Prize.

Il grafene batte tutti i record. È il materiale più sottile e stabile al mondo, ultraleggero, antistrappo, elettricamente conduttivo, e altamente resistente. Da quando è stato scoperto nel 2004, le strutture bidimensionali composte da atomi di carbonio hanno alimentato la fantasia e lo spirito inventivo. Gli autori di fantascienza considerano il materiale adatto alla costruzione di cavi per azionare gli ascensori spaziali. I ricercatori sui materiali stanno sperimentando display al grafene, transistor, ed elettrodi, che pretendono di rendere più leggera l'elettronica del futuro, più stabile, e più longevi. Nella comunità scientifica, i film di grafene altamente puro sono molto ambiti, in quanto consentono di confezionare gas e liquidi in maniera ultradensa.

"Attualmente, però, mancano ancora i requisiti di base. Esistono vari processi di produzione adatti alla produzione di massa di grafene. Però, questo materiale non è esente da difetti. Il grafene della più alta qualità cristallina non può essere prodotto in modo riproducibile in questo modo", spiega Sebastian Günther, Professore di Chimica Fisica al TUM. Il suo team è ora riuscito ad analizzare, monitoraggio, e l'ottimizzazione della crescita dei cristalli di grafene attraverso la deposizione chimica da vapore (CVD in breve). I risultati sono stati recentemente pubblicati nel Annalen der Physik ( Annali di Fisica ).

Teoria e avvertenze in pratica

Teoricamente, è molto facile produrre grafene:tutto ciò che serve è un recipiente di vetro riscaldato, un reattore, in cui viene immesso gas contenente carbonio come il metano, così come il rame come catalizzatore. A temperature di circa 1, 000 gradi Celsius, il metano si decompone sulla superficie del rame per produrre idrogeno e carbonio. Mentre l'idrogeno successivamente lascia la superficie del rame, gli atomi di carbonio si raccolgono sulla superficie del film di rame utilizzato durante questa precipitazione chimica dallo stato gassoso, un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Qui, gli atomi si reticolano e formano "fiocchi" di grafene, strutture bidimensionali puntiformi con la tipica struttura a nido d'ape. Quello che rimane è l'idrogeno, che può essere estratto tramite aspirazione.

Però, in pratica, il diavolo è nei dettagli. "Il problema più grande è che la struttura cristallina bidimensionale spesso non è del tutto omogenea, perché la crescita inizia contemporaneamente in più sedi", spiega Jürgen Kraus, che ha condotto gli esperimenti. "A prima vista, sembra che sul rame appaia un film continuo di grafene, ma i favi esagonali non sono tutti orientati allo stesso modo, e la struttura è indebolita nei punti in cui si incontrano."

Tali difetti possono essere evitati assicurandosi che la superficie del rame sia il più possibile priva di nuclei di cristallizzazione.

Con i suoi esperimenti, il chimico è stato in grado di dimostrare che i contaminanti potevano essere rimossi al meglio con l'aiuto del gas ossigeno, ad es. tramite ossidazione. Però, per evitare effetti collaterali indesiderati, occorre prestare attenzione per garantire che il catalizzatore di rame sia esposto solo alla minima quantità possibile di ossigeno.

Fondamentale per il successo:concentrazione e temperatura del gas

Nella seconda parte dei suoi esperimenti, Kraus ha analizzato come varie pressioni parziali e temperature influenzino la formazione di grafene durante la deposizione chimica da vapore. Se la composizione del gas utilizzata contiene troppo idrogeno, non cresce affatto il grafene; se ha troppo poco idrogeno, gli strati diventano troppo spessi. È solo quando tutti i parametri sono selezionati in modo tale che la crescita avvenga "abbastanza vicino" all'equilibrio termico che il grafene altamente puro senza difetti si forma in un reticolo cristallino.

Controllo qualità in Italia

Per verificare la qualità dei fiocchi, i ricercatori di Monaco hanno fatto un viaggio in Italia con i loro campioni. Presso il Centro Ricerche Elettra Sincrotrone Trieste, che è dotato di un acceleratore di particelle a forma di anello, sono stati in grado di caratterizzare chimicamente e strutturalmente gli strati di grafene con uno speciale microscopio, che aveva un'alta risoluzione grazie alla radiazione di sincrotrone ad alta energia.

"I risultati dello studio di fattibilità sono stati molto incoraggianti", riferisce Gunther. "Le immagini hanno dimostrato che è possibile ottenere risultati riproducibili selezionando i parametri durante la deposizione chimica da vapore"

Il miglior record finora ottenuto dai ricercatori TUM in termini di qualità:scaglie di grafene che misurano un millimetro quadrato e contengono dieci miliardi di atomi di carbonio allineati con precisione. "Il vantaggio rispetto ad altri studi non è tanto la 'dimensione del record' ottenuta, ma sta nel fatto che i fiocchi si formano con un tasso di crescita prevedibile se si scelgono i giusti parametri CVD, permettendo così chiuso, strati di grafene altamente cristallino con uno spessore di un solo atomo da produrre in poche ore", riassume Günther.

Mini film per nuove applicazioni

Il grafene apre una vasta gamma di nuove applicazioni, soprattutto nella ricerca di base:per uno, i film di grafene ultrasottili possono ad es. essere rimossi dal substrato di rame e utilizzati come film di copertura. Tali film sono adatti per intrappolare liquidi in un contenitore. Poiché i film sono trasparenti agli elettroni lenti, i campioni possono essere studiati tramite spettroscopia elettronica e microscopia, anche se queste tecniche sono tipicamente utilizzate in ultra-alto vuoto o alto vuoto.

Con l'aiuto dei film, i ricercatori intendono anche studiare le cellule viventi, elettrodi e catalizzatori rivestiti di liquido ad alta pressione tramite spettroscopia fotoelettronica in futuro. In questo processo, fotoni, che riescono a penetrare nel film, trasferiscono la loro energia agli elettroni nel campione, in modo che vengano rilasciati e passino attraverso il film verso l'esterno. I loro livelli di energia possono quindi essere utilizzati per trarre conclusioni sulla composizione chimica del campione.