Da sinistra a destra, Una fiala di grafite (Gr), come quello che troveresti in una normale matita; una fiala di ossido di grafene (GO), prodotto esfoliando Gr - spargendo gli strati del materiale - e mescolandolo con i batteri Shewanella; una fiala del prodotto risultante - materiali di grafene (mrGO); e una fiala di materiali di grafene che sono stati prodotti chimicamente (crGO). I materiali di grafene prodotti dal laboratorio di Anne Meyer sono significativamente più sottili dei materiali di grafene prodotti chimicamente. Credito:Università di tecnologia di Delft / Benjamin Lehner
Per creare computer nuovi e più efficienti, dispositivi medici, e altre tecnologie avanzate, i ricercatori si stanno rivolgendo ai nanomateriali:materiali manipolati sulla scala di atomi o molecole che presentano proprietà uniche.
Il grafene, una scaglia di carbonio sottile come un singolo strato successivo di atomi, è un nanomateriale rivoluzionario grazie alla sua capacità di condurre facilmente elettricità, oltre alla sua straordinaria resistenza meccanica e flessibilità. Però, un grosso ostacolo all'adozione per le applicazioni quotidiane è la produzione di grafene su larga scala, pur conservando le sue straordinarie proprietà.
In un articolo pubblicato sulla rivista ChemOpen , Anne S. Meyer, professore associato di biologia all'Università di Rochester, e i suoi colleghi della Delft University of Technology nei Paesi Bassi, descrivere un modo per superare questa barriera. I ricercatori delineano il loro metodo per produrre materiali in grafene utilizzando una nuova tecnica:mescolare la grafite ossidata con i batteri. Il loro metodo è più efficiente in termini di costi, che fa risparmiare tempo, e rispettoso dell'ambiente per produrre materiali di grafene rispetto a quelli prodotti chimicamente, e potrebbe portare alla creazione di tecnologie informatiche e apparecchiature mediche innovative.
Il grafene viene estratto dalla grafite, il materiale trovato in una normale matita. A esattamente un atomo di spessore, il grafene è il materiale bidimensionale più sottile, ma più resistente, conosciuto dai ricercatori. Scienziati dell'Università di Manchester nel Regno Unito hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2010 per la loro scoperta del grafene; però, il loro metodo di usare il nastro adesivo per fare il grafene ha prodotto solo piccole quantità di materiale.
"Per applicazioni reali servono grandi quantità, " Dice Meyer. "Produrre queste grandi quantità è impegnativo e in genere si traduce in grafene che è più spesso e meno puro. È qui che è entrato in gioco il nostro lavoro».
Anne Meyer, professore di biologia, e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo approccio alla produzione di grafene in laboratorio. Credito:Università di Rochester / J. Adam Fenster
Al fine di produrre maggiori quantità di materiali di grafene, Meyer e i suoi colleghi hanno iniziato con una fiala di grafite. Hanno esfoliato la grafite, eliminando gli strati di materiale, per produrre ossido di grafene (GO), che hanno poi mescolato con i batteri Shewanella. Lasciano riposare il bicchiere di batteri e materiali precursori durante la notte, durante il quale i batteri hanno ridotto il GO a materiale di grafene.
"L'ossido di grafene è facile da produrre, ma non è molto conduttivo a causa di tutti i gruppi di ossigeno in esso contenuti, " Dice Meyer. "I batteri rimuovono la maggior parte dei gruppi di ossigeno, che lo trasforma in un materiale conduttivo."
Mentre il materiale di grafene prodotto dai batteri creato nel laboratorio di Meyer è conduttivo, è anche più sottile e più stabile del grafene prodotto chimicamente. Può inoltre essere conservato per periodi di tempo più lunghi, rendendolo adatto per una varietà di applicazioni, compresi i biosensori a transistor ad effetto di campo (FET) e l'inchiostro conduttore. I biosensori FET sono dispositivi che rilevano molecole biologiche e potrebbero essere utilizzati per eseguire, Per esempio, monitoraggio della glicemia in tempo reale per i diabetici.
"Quando le molecole biologiche si legano al dispositivo, cambiano la conduttanza della superficie, inviando un segnale che la molecola è presente, " Dice Meyer. "Per realizzare un buon biosensore FET è necessario un materiale che sia altamente conduttivo ma che possa anche essere modificato per legarsi a molecole specifiche." L'ossido di grafene che è stato ridotto è un materiale ideale perché è leggero e molto conduttivo, ma in genere conserva un piccolo numero di gruppi di ossigeno che possono essere utilizzati per legarsi alle molecole di interesse.
Il materiale di grafene prodotto dai batteri potrebbe anche essere la base per inchiostri conduttivi, che potrebbe, a sua volta, essere utilizzato per realizzare tastiere per computer più veloci ed efficienti, circuito, o piccoli fili come quelli usati per sbrinare i parabrezza delle auto. L'uso di inchiostri conduttivi è un "più facile, modo più economico per produrre circuiti elettrici, rispetto alle tecniche tradizionali, " Dice Meyer. Gli inchiostri conduttivi potrebbero anche essere usati per produrre circuiti elettrici su materiali non tradizionali come tessuto o carta.
"Il nostro materiale di grafene prodotto dai batteri porterà a un'idoneità di gran lunga migliore per lo sviluppo del prodotto, " Dice Meyer. "Siamo stati persino in grado di sviluppare una tecnica di 'litografia batterica' per creare materiali di grafene che erano conduttivi solo da un lato, che può portare allo sviluppo di nuovi, materiali nanocompositi avanzati."
