Una nuova ricerca rivela perché il grafene "supermateriale" non ha trasformato l'elettronica come promesso, e mostra come raddoppiare le sue prestazioni e sfruttare finalmente il suo straordinario potenziale.

Il grafene è il materiale più resistente mai testato. È anche flessibile, trasparente e conduce calore ed elettricità 10 volte meglio del rame.

Dopo che la ricerca sul grafene ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2010, è stato salutato come un materiale trasformativo per l'elettronica flessibile, chip per computer e pannelli solari più potenti, filtri per l'acqua e biosensori. Ma le prestazioni sono state contrastanti e l'adozione del settore lenta.

Ora uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura identifica la contaminazione da silicio come la causa principale di risultati deludenti e spiega come produrre prestazioni più elevate, grafene puro.

Il team della RMIT University guidato dalla dott.ssa Dorna Esrafilzadeh e dal dott. Rouhollah Ali Jalili ha ispezionato campioni di grafene disponibili in commercio, atomo per atomo, con un microscopio elettronico a scansione di transizione all'avanguardia.

"Abbiamo trovato alti livelli di contaminazione da silicio nel grafene disponibile in commercio, con enormi impatti sulle prestazioni del materiale, " disse Esrafilzadeh.

I test hanno dimostrato che il silicio presente nella grafite naturale, la materia prima utilizzata per produrre il grafene, non veniva completamente rimosso durante l'elaborazione.

"Riteniamo che questa contaminazione sia al centro di molti rapporti apparentemente incoerenti sulle proprietà del grafene e forse di molti altri materiali bidimensionali (2-D) atomicamente sottili, " disse Esrafilzadeh.

"Il grafene è stato annunciato come trasformativo, ma finora non ha avuto un impatto commerciale significativo, come alcuni nanomateriali 2-D simili. Ora sappiamo perché non ha funzionato come promesso, e cosa deve essere fatto per sfruttarne appieno il potenziale".

I test non solo hanno identificato queste impurità, ma hanno anche dimostrato la grande influenza che hanno sulle prestazioni, con materiale contaminato che ha prestazioni fino al 50% peggiori quando testato come elettrodi.

"Questo livello di incoerenza potrebbe aver ostacolato l'emergere di importanti applicazioni industriali per i sistemi a base di grafene. Ma impedisce anche lo sviluppo di quadri normativi che disciplinano l'implementazione di tali nanomateriali a strati, destinati a diventare la spina dorsale dei dispositivi di nuova generazione, " lei disse.

La proprietà bidimensionale dei fogli di grafene, che è solo un atomo di spessore, lo rende ideale per lo stoccaggio di elettricità e nuove tecnologie di sensori che si basano su un'elevata superficie.

Questo studio rivela come quella proprietà 2-D sia anche il tallone d'Achille del grafene, rendendolo così vulnerabile alla contaminazione superficiale, e sottolinea quanto sia importante la grafite ad elevata purezza per la produzione di grafene più puro.

Utilizzando grafene puro, i ricercatori hanno dimostrato come il materiale si comportava straordinariamente bene quando veniva utilizzato per costruire un supercondensatore, una specie di super batteria.

Quando testato, la capacità del dispositivo di trattenere la carica elettrica era enorme. Infatti, era la capacità più grande finora registrata per il grafene e in vista della capacità teorica prevista del materiale.

In collaborazione con il Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry di RMIT, il team ha quindi utilizzato il grafene puro per costruire un sensore di umidità versatile con la massima sensibilità e il limite di rilevamento più basso mai riportato.

Questi risultati costituiscono una pietra miliare fondamentale per la comprensione completa dei materiali bidimensionali atomicamente sottili e la loro integrazione di successo all'interno di dispositivi commerciali ad alte prestazioni.

"Speriamo che questa ricerca aiuti a sbloccare l'eccitante potenziale di questi materiali".