Il materiale in carbonio grafene non ha uno spessore ben definito; consiste semplicemente di un singolo strato di atomi. Viene quindi spesso definito un "materiale bidimensionale". Cercare di ricavarne una struttura tridimensionale può sembrare contraddittorio all'inizio, ma è un obiettivo importante:se si vogliono sfruttare al meglio le proprietà dello strato di grafene, è necessario integrare quanta più superficie attiva possibile all'interno di un volume limitato.

Il modo migliore per raggiungere questo obiettivo è produrre grafene su nanostrutture ramificate complesse. Questo è esattamente ciò che ha raggiunto ora una collaborazione tra CNR Nano di Pisa, TU Wien (Vienna) e Università di Anversa. Ciò potrebbe aiutare, ad esempio, ad aumentare la capacità di stoccaggio per volume dell'idrogeno o a costruire sensori chimici con una sensibilità maggiore.

Da solido a poroso

Nel gruppo del Prof. Ulrich Schmid (Institute for Sensor and Actuator Systems, TU Wien), sono state condotte ricerche per anni su come trasformare materiali solidi come il carburo di silicio in strutture estremamente fini e porose in un modo controllato con precisione. "Se riesci a controllare la porosità, di conseguenza molte diverse proprietà del materiale possono essere influenzate", spiega Georg Pfusterschmied, uno degli autori dell'attuale articolo.

Le procedure tecnologiche necessarie per raggiungere questo obiettivo sono impegnative:"Si tratta di un processo elettrochimico che consiste in diversi passaggi", afferma Markus Leitgeb, un chimico che lavora anche nel gruppo di ricerca di Ulrich Schmid alla TU Wien. "Lavoriamo con soluzioni di incisione molto specifiche e applichiamo caratteristiche di corrente elettrica su misura in combinazione con l'irradiazione UV". Ciò consente di incidere piccoli fori e canali in determinati materiali.

Per questa esperienza nella realizzazione di strutture porose, il team di Stefan Heun dell'Istituto di Nanoscienze del CNR si è rivolto ai colleghi della TU Wien. Il team di Pisa stava cercando un metodo per produrre superfici di grafene in nanostrutture ramificate per consentire aree di superficie di grafene più grandi. E la tecnologia sviluppata alla TU Wien è perfettamente adatta a questo compito.

"Il materiale di partenza è il carburo di silicio, un cristallo di silicio e carbonio", afferma Stefano Veronesi che ha eseguito la crescita del grafene al CNR Nano di Pisa. "Se riscaldi questo materiale, il silicio evapora, il carbonio rimane e, se lo fai bene, può formare uno strato di grafene sulla superficie."

Alla TU Wien è stato quindi sviluppato un processo di incisione elettrochimica che trasforma il carburo di silicio solido nella nanostruttura porosa desiderata. Circa il 42% del volume viene rimosso in questo processo. La restante nanostruttura è stata quindi riscaldata in alto vuoto a Pisa in modo che si formasse grafene sulla superficie. Il risultato è stato poi esaminato in dettaglio ad Anversa. Questo ha rivelato il successo del nuovo processo:infatti, un gran numero di scaglie di grafene si forma sulla superficie dalla forma intricata della nanostruttura 3-D.

Molta superficie in una forma compatta

"Questo ci consente di utilizzare i vantaggi del grafene in modo molto più efficace", afferma Ulrich Schmid. "La motivazione originale del progetto di ricerca era quella di immagazzinare idrogeno:è possibile immagazzinare temporaneamente atomi di idrogeno sulle superfici di grafene e quindi utilizzarli per vari processi. Più grande è la superficie, maggiore è la quantità di idrogeno che è possibile immagazzinare". Ma ci sono anche molte altre idee per l'utilizzo di tali strutture di grafene 3-D. Un'ampia superficie è anche un vantaggio decisivo nei sensori chimici, che, ad esempio, possono essere utilizzati per rilevare sostanze rare nei gas.

La ricerca è stata pubblicata su Carbon . + Esplora ulteriormente

Gli atomi usano i tunnel per sfuggire alla copertura di grafene