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CNR: Alamanacco della Scienza

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N. 13 - 27 ott 2010

Focus - Nanotecnologie  

<b>Grafene, meraviglia sottile</b>
Tecnologia

Grafene, meraviglia sottile

Fino a sei anni fa si credeva impossibile che un simile materiale potesse esistere. Mentre oggi i ricercatori e l'industria di tutto il mondo confidano che le proprietà del grafene, un singolo foglio di atomi di carbonio dallo spessore quasi nullo, producano innovazione e profondi cambiamenti nei settori più diversi. Ne sono convinti anche all'Istituto nanoscienze del Cnr, struttura che riunisce le eccellenze scientifiche dei centri Nest di Pisa, Nnl di Lecce e S3 di Modena, dove le ricerche sul grafene sono tra i temi di punta.

Parente stretto della grafite, la forma di carbonio presente nelle mine delle matite, il grafene è costituito da un singolo foglio di atomi di carbonio legati tra loro in un reticolo esagonale a una distanza costante di 0,142 nanometri. Una struttura estremamente regolare, che a dispetto dell'estrema semplicità ha proprietà eccezionali in quasi tutti i campi: leggerissimo e flessibile eppure resistente 100 volte più dell'acciaio; a temperatura ambiente conduce elettricità più velocemente di qualunque altra sostanza; è quasi trasparente ma così denso che nemmeno i piccoli atomi di elio possono attraversarlo. Non solo, il grafene è anche un laboratorio unico per gli studi di fisica fondamentale.

"Il mondo bidimensionale del grafene ci permette di studiare fenomeni quantistici mai osservati prima", commenta Elisa Molinari docente all'università di Modena e Reggio Emilia e direttrice del polo S3 di Modena dell'Istituto di nanoscienze, "in questo materiale il comportamento degli elettroni è molto simile a quello di particelle senza massa, come sono i neutrini o i fotoni, che obbediscono alle leggi della fisica quantistica relativistica. Diventa quindi possibile verificare ipotesi teoriche e fenomeni complessi dentro un materiale che si tratta abbastanza semplicemente in laboratorio".

Sul piano pratico, il grafene si caratterizza soprattutto per le sue proprietà elettroniche, che lo rendono un candidato ideale per applicazioni che vanno dalla nanoelettronica alla sensoristica. ""

"Nell'unità di Modena studiamo con simulazioni teoriche come si modificano le caratteristiche elettroniche dello strato di carbonio quando questo viene ‘drogato' con materiali diversi", precisa Molinari. "L'obiettivo è l'utilizzo del grafene per un'elettronica alternativa al silicio. La declinazione al futuro è d'obbligo il grafene è una delle frontiere delle nanoscienze e gli orizzonti restano ampi".

Al Nest, il polo pisano dell'Istituto Nanoscienze, oltre alle proprietà degli elettroni si studiano anche specifiche applicazioni basate sul grafene. "Siamo impegnati in ricerche per realizzare rivelatori nel lontano infrarosso da impiegarsi nel campo della sicurezza e del monitoraggio ambientale", spiega Vittorio Pellegrini ricercatore Nest. "Su un altro fronte studiamo le interazioni tra grafene e idrogeno per capire se il grafene può comportarsi come una spugna in grado di assorbire e immagazzinare idrogeno: si potrebbero così realizzare contenitori di idrogeno sicuri e compatti per alimentare batterie". Sempre al Nest si studiano metodi alternativi per produrre grafene con caratteristiche speciali di purezza o più direttamente utilizzabile.

L'estrema versatilità rende questo materiale prezioso anche per il settore della spintronica, l'elettronica basata sulle proprietà magnetiche dei materiali. Il gruppo di ricerca guidato da Marco Affronte, del polo S3 di Modena, studia come combinare le proprietà dei magneti molecolari con quelle elettroniche del monostrato di carbonio con la prospettiva di realizzare dispositivi magnetici innovativi. "Sappiamo depositare molecole magnetiche su superfici di grafene e convertire le loro  informazioni magnetiche in un segnale elettrico", spiega il ricercatore. "Inoltre, è emerso di recente che è possibile indurre nel grafene proprietà magnetiche in maniera controllata, un fenomeno che adesso stiamo studiando".

Fonte: Elisa Molinari, S3 Istituto nanoscienze del Cnr, Modena, tel: 059/2055628, email: elisa.molinari@unimore.it

Maddalena Scandola

Fonte: Marco Affronte , S3 Istituto Nanoscienze del Cnr, Modena, email marco.affronte@unimore.it

Fonte: Vittorio Pellegrini , Nest Istituto Nanoscienze del Cnr, Pisa, tel. 050/509414, email vp@sns.it