Il grafene e i materiali correlati hanno un grande potenziale per applicazioni tecnologiche come l'elettronica, sensori, e dispositivi di accumulo di energia, tra gli altri. Grazie alla loro elevata sensibilità superficiale, questi materiali sono una piattaforma ideale per studiare l'interazione tra assemblaggi molecolari su scala nanometrica e fenomeni elettrici macroscopici.

I ricercatori del Graphene Flagship hanno progettato una molecola che può subire trasformazioni chimiche in modo reversibile quando illuminata con luce ultravioletta e visibile. Questa molecola, uno spiropirano fotocommutabile, può essere poi ancorata alla superficie di materiali come il grafene o il bisolfuro di molibdeno, generando così un superreticolo macroscopico ibrido atomicamente preciso. Quando è illuminato, l'intera struttura supramolecolare sperimenta un riarrangiamento strutturale collettivo, che potrebbe essere visualizzato direttamente con una risoluzione sub-nanometrica mediante microscopia a effetto tunnel.

Ma ancora più importante, questa riorganizzazione indotta dalla luce a livello molecolare induce grandi cambiamenti nelle proprietà elettriche macroscopiche dei dispositivi ibridi. Le molecole, insieme agli strati di grafene e relativi materiali, può convertire eventi di singole molecole in un'azione di commutazione spazialmente omogenea che genera una risposta elettrica macroscopica. Questo approccio innovativo e versatile porta l'elettronica supramolecolare a un livello superiore.

"Grazie a questo nuovo approccio, possiamo sfruttare la capacità di eventi di commutazione collettiva che si verificano in superreticoli di molecole fotocromatiche assemblate su grafene e materiali correlati per indurre modulazioni su larga scala e reversibili nelle proprietà elettriche di dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni, " spiega Paolo Samorì, autore principale del paper. "Questa tecnologia potrebbe trovare applicazioni nella prossima generazione di elettronica intelligente e portatile, con proprietà programmabili, " Aggiunge.

Samorì spiega anche come questa idea di personalizzare i superreticoli molecolari potrebbe generare un'ampia varietà di nuovi materiali con proprietà sintonizzabili e reattive. "Componi le tue funzioni! Devi solo scegliere con cura le molecole giuste, il superreticolo così formato consentirà di massimizzare il cambiamento delle proprietà in risposta a input esterni, " lui dice.

Vittorio Pellegrini, ricercatore presso IIT e Division Leader for Energy, compositi, e produzione presso l'ammiraglia del grafene, mette in evidenza come la ricerca sia "unica nel modo in cui combina il grafene e altri materiali correlati con molecole chimiche sensibili alla luce". Queste disposizioni macroscopiche sono piattaforme promettenti per l'optoelettronica." Pellegrini sottolinea l'eccezionale potenziale di queste nuove scoperte:"il rivestimento molecolare ultrasottile può essere adattato semplicemente sintetizzando diverse molecole". Inoltre, 'questa scoperta ci porterà allo sviluppo di dispositivi, poiché la tecnica sviluppata da Samorì e dal suo team può essere scalata in modo riproducibile, " ha aggiunto. Samorì concorda:"Il limite nella scalabilità è l'accessibilità al grafene ultrapiatto e atomicamente preciso e ai materiali correlati".

Questi progressi, reso possibile dall'ambiente collaborativo della Graphene Flagship, potrebbe portare a promettenti applicazioni nei sensori, optoelettronica, e dispositivi flessibili. I ricercatori ora sognano dispositivi ibridi multifunzionali ad alte prestazioni sotto il controllo della fonte di energia più abbondante e potente della natura:la luce.

Professor Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene, e il presidente del suo comitato di gestione hanno aggiunto:"La chimica supramolecolare è stata parte della ricerca Flagship sin dall'inizio. Nel corso degli anni i nostri partner hanno migliorato e sviluppato le tecniche che consentono di interfacciare le molecole con il grafene e i materiali correlati. Ora siamo assistendo a un progresso costante verso le domande, come dimostrato da questo interessante lavoro."