In una giornata altrimenti normale in laboratorio, Eva Andrei non si aspettava di fare una grande scoperta. Andrea, professore di fisica alla Rutgers University, stava usando la grafite, il materiale delle matite, per calibrare un microscopio a scansione a effetto tunnel. Come parte del processo, ha acceso un campo magnetico molto potente. Quando ha alzato lo sguardo per vedere lo spettro elettronico del materiale, era stupita. "Abbiamo visto enormi, belle cime lassù, semplicemente incredibile. E non avevano alcun senso, " ha ricordato.

Ricordando una conferenza a cui aveva partecipato di recente, si rese conto che la grafite si era separata in fogli dello spessore di un solo atomo. Questo materiale, noto come grafene, ha proprietà elettroniche bizzarre. Ma anche per il grafene, lo spettro che vedeva era strano. Infatti, nessuno aveva mai visto niente di simile prima. Come lo descrisse Andrei, il suo collega "è andato fuori di testa nel corridoio e ha urlato 'Grafene!'" Andrei aveva fatto una scoperta fortuita:un nuovo fenomeno elettrico.

Questa non era né la prima né l'ultima volta che il movimento degli elettroni nel grafene avrebbe sorpreso ed euforico gli scienziati. Una delle cose più impressionanti del grafene è la velocità con cui gli elettroni si muovono attraverso di esso. Lo attraversano più di 100 volte più velocemente di quanto non facciano attraverso il silicio utilizzato per realizzare i chip dei computer. In teoria, questo suggerisce che i produttori potrebbero utilizzare il grafene per realizzare transistor superveloci per più sottile, touch-screen più potenti, elettronica, e celle solari.

Ma ciò che rende il grafene così sorprendente ne ostacola anche l'uso:gli elettroni fluiscono troppo facilmente attraverso la sua struttura a nido d'ape. A differenza del silicio, il grafene non ha una banda proibita. I bandgap sono la quantità di energia che un elettrone deve guadagnare per liberarsi da un atomo e passare ad altri atomi per condurre una corrente. Come un pedaggio su un'autostrada, gli elettroni devono "pagare" con l'energia per procedere. I dispositivi elettronici utilizzano le bande proibite come porte per controllare dove e quando fluiscono gli elettroni. Mancanza di bande proibite, la struttura del grafene si comporta come un'autostrada elettronica senza segnali di stop.

"Gli elettroni del grafene sono così selvaggi e non possono essere domati; è difficile creare un vuoto, " disse Andrej.

Questa mancanza di bandgap rende il grafene attualmente molto difficile da usare nell'elettronica moderna. I ricercatori supportati dall'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia (DOE) stanno studiando modi per superare questa sfida e altre per dirigere il traffico di elettroni del grafene.

Gli elettroni si comportano come particelle di luce

I materiali con uno spessore di pochi atomi agiscono in modo fondamentalmente diverso rispetto a quantità maggiori dello stesso materiale.

"La sfida più grande è avere una comprensione affidabile delle proprietà dei materiali, " disse Lilia Woods, professore di fisica alla University of South Florida.

Anche per un materiale così piatto, il grafene ha alcune caratteristiche strane. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni si muovono a velocità diverse. Ma nel grafene, si muovono tutti alla stessa velocità. Infatti, gli elettroni nel grafene si comportano come se non avessero massa, come le particelle di luce. Questo è uno dei motivi per cui gli elettroni si muovono così velocemente e sono così difficili da controllare.

Dirigere il traffico di elettroni

Studiare il comportamento del grafene è una cosa. Capire come manipolarlo è un'altra. Gli scienziati hanno cercato diversi modi per controllare gli elettroni nel grafene:sviluppare nanonastri, allungandolo, accoppiandolo con nitruro di boro (un altro materiale alto come un atomo), e applicando cariche elettriche a spazi vuoti al suo interno. Gli scienziati perseguono molteplici approcci perché non sanno quale funzionerà meglio. Intanto, ogni approccio fornisce una visione unica delle proprietà di base del grafene.

Nanoribbons di grafene

La produzione di nanonastri di grafene è un modo per creare un materiale che è già inimmaginabilmente sottile, ancora più magro. Questi nastri mantengono molte delle caratteristiche positive del grafene, offrendo potenzialmente agli scienziati un migliore controllo su come si comportano gli elettroni, compresa la creazione di band gap.

"Puoi vedere questi piccoli nastri come elementi di circuiti elettronici, " ha detto Michael Crommie, un fisico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE.

L'indagine sui nanonastri è iniziata prima ancora che gli scienziati entrassero in laboratorio. Sulla base di calcoli, i fisici hanno teorizzato più di un decennio fa che i nanonastri potrebbero offrire nuovi modi per manipolare le proprietà elettroniche del grafene. Gli sperimentali hanno confermato questa idea sviluppando nanonastri con consistenti, bordi puliti.

Per esempio, i ricercatori dell'Università del Wisconsin e altrove hanno sviluppato nanonastri di grafene che mostravano una banda proibita. Hanno dimostrato che quando la larghezza di un nanonastro è inferiore a tre nanometri, circa lo spessore di un filamento di DNA, sviluppa una banda proibita significativa. Diventa anche un semiconduttore. A differenza dell'autostrada elettronica del grafene, i semiconduttori possono commutare avanti e indietro tra la conduzione di elettricità o meno. Più stretto è il nastro, maggiore è il divario o il "pedaggio energetico" di cui hanno bisogno gli elettroni.

Ma una sfida è come realizzare un singolo nanonastro che abbia larghezze multiple e quindi regioni con bande proibite differenti. Nanoribbons di una singola larghezza non daranno agli scienziati il ​​livello di controllo necessario per progettare circuiti complessi. Risolvere questo problema, Gli scienziati del Berkeley Lab hanno fuso insieme segmenti di nastro con larghezze diverse. Questa "ingegneria del bandgap" è essenziale per la produzione di dispositivi a semiconduttore e rappresenta un grande passo avanti verso l'utilizzo del grafene nei circuiti.

Questi nanonastri non possono essere usati da soli, quindi gli scienziati stanno attualmente studiando come i nanonastri interagiscono con diverse superfici. I ricercatori della University of South Florida hanno studiato nanonastri di grafene su substrati di carburo di silicio (SiC). Hanno scoperto che il modo in cui alcuni bordi dei nanonastri si attaccano al substrato di SiC influenza il bandgap. I nanonastri con diverse larghezze e bordi ancorati su diversi substrati possono consentire agli scienziati un maggiore controllo sulle proprietà degli elettroni rispetto ai nanonastri che non sono affatto ancorati.

Stretching del grafene

L'allungamento del grafene offre un percorso alternativo per controllarne le proprietà. Quando gli scienziati allungano il grafene in un modo specifico, forma minuscole bolle in cui gli elettroni agiscono come se si trovassero effettivamente in un campo magnetico molto potente. Queste bolle offrono agli scienziati nuove opportunità per manipolare il traffico di elettroni nel grafene.

Anche questa scoperta fu un completo incidente. A un team del Berkeley Lab è capitato di coltivare uno strato di grafene sulla superficie di un cristallo di platino in una camera a vuoto. Mentre i ricercatori hanno testato il grafene, notarono che i suoi elettroni agivano in modo strano. Piuttosto che muoversi come fanno normalmente in un continuum regolare, gli elettroni nelle nanobolle di grafene si sono raggruppati a energie molto specifiche. Quando i ricercatori hanno confrontato i loro risultati con quanto suggerito dalla teoria, hanno scoperto che gli elettroni si comportavano come se si trovassero in un campo magnetico ultra-forte. Però, non era presente alcun campo magnetico effettivo.

Con grafene, "spesso inseguiamo una cosa e troviamo qualcosa di completamente inaspettato, " Disse Cromi.

Abbinamento con nitruro di boro

Quando gli scienziati hanno esplorato per la prima volta le proprietà del grafene, l'hanno messo sopra il biossido di silicio. Poiché il biossido di silicio è un isolante comune per le applicazioni elettroniche, sembrava una partita ideale. Però, il grafene non stava raggiungendo il suo pieno potenziale.

James Hone, un professore di ingegneria meccanica della Columbia University, ha ricordato il pensiero, "C'è un materiale a strati come il grafene che sarebbe una misura naturale?"

Il team di Hone alla fine ha scoperto che il grafene funziona molto meglio quando lo si mette invece sul nitruro di boro. Come il grafene, il nitruro di boro può avere uno spessore di pochi atomi e ha la stessa struttura a nido d'ape. Però, è un isolante che impedisce agli elettroni di attraversarlo.

Hanno scoperto che mettere insieme nitruro di boro e grafene può produrre un nuovo materiale le cui proprietà sono molto flessibili. Questa combinazione è così promettente che Alex Zettl del Berkeley Lab ha scherzato dicendo che il suo laboratorio è ora "Boron Nitride R Us". ha commentato, "Avere l'influenza del nitruro di boro sul grafene è uno strumento molto potente".

La luce ordinaria può offrire un modo per influenzare gli elettroni in questo nuovo materiale composito. Gli scienziati del Berkeley Lab hanno scoperto di poter utilizzare la luce di una semplice lampada per creare un dispositivo a semiconduttore essenziale chiamato "giunzione p-n". Le giunzioni P-n hanno un lato positivo e privo di elettroni e un altro lato negativo con elettroni extra. Progettando accuratamente queste giunzioni, gli ingegneri possono controllare come e quando gli elettroni si muovono tra i due lati di un materiale. Sono come i cancelli che si alzano e si abbassano a un casello.

Gli scienziati si sono resi conto che se potevano mettere a posto, cariche statiche nel nitruro di boro in modo specifico, potrebbero generare una giunzione p-n nel vicino grafene. Per creare la giunzione p-n, gli scienziati hanno prima preparato l'autostrada del grafene per avere un eccesso di elettroni, o essere una regione di tipo n. Quindi, illuminando il nitruro di boro sottostante, hanno creato una buca, o regione di tipo p, nel grafene. Quindi con un impulso luminoso e il nitruro di boro come mediatore, potrebbero "scrivere" giunzioni p-n - cancelli di pedaggio - nel grafene secondo necessità.

Anche dopo che gli scienziati hanno spento la luce, l'attivazione del nitruro di boro e la sua influenza sul traffico di elettroni nel vicino grafene, rimasto al suo posto per giorni. Gli scienziati hanno anche scoperto che potevano cancellare e ricreare queste giunzioni, che potrebbe essere importante per la progettazione di dispositivi elettronici.

Ora i ricercatori stanno usando microscopi a scansione a effetto tunnel, che utilizzano punte di dimensioni nanometriche per condurre l'elettricità, fare la stessa cosa con più precisione.

Ricaricare gli spazi vuoti nel grafene

Per la sua struttura unica, il grafene rimane stabile anche quando gli scienziati lo perforano. Il team di Andrei della Rutgers University ha approfittato di questo fatto per creare un "atomo artificiale" che influenza gli elettroni vicini nella parte non danneggiata del grafene. Primo, ricercatori hanno sparato elio al grafene su un substrato, eliminando un singolo atomo di carbonio. Hanno quindi utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel per applicare una carica positiva al substrato sotto lo spazio vuoto in cui si trovava l'atomo mancante. Come un vero atomo, quella carica positiva influenzava le orbite degli elettroni nel grafene circostante. La creazione di questi atomi artificiali potrebbe essere un altro modo in cui i dispositivi futuri potrebbero controllare il flusso di elettroni nel grafene.

Il futuro del grafene

Forse il più sorprendente di questi colpi di scena è che il futuro potrebbe non risiedere affatto nel grafene. Mentre gli scienziati studiavano le proprietà elettroniche uniche del grafene, hanno scoperto nuovi materiali estremamente sottili realizzati con elementi diversi dal carbonio. Se un materiale è spesso solo pochi atomi e ha una struttura a nido d'ape, può dimostrare molte delle proprietà elettroniche del grafene. Infatti, gli scienziati hanno trovato materiali fatti di silicio, germanio, e stagno che agiscono in modo sorprendentemente simile al grafene. L'utilizzo di questi materiali da soli o in combinazione con il grafene può offrire caratteristiche migliori rispetto al solo grafene.

Intanto, gli scienziati continueranno a indagare sulle strane caratteristiche di questo materiale spesso sorprendente. Come Philip Kim, un professore di fisica dell'Università di Harvard ha detto, "[Il grafene] ti fornisce sempre qualcosa di nuovo, scienza entusiasmante che non ci aspettavamo."