Italia, Università sul podio per il grafene artificiale
Roma – Grafene: se ne parla già da un pò, riviste specializzate e media seguono spesso gli studi e le evoluzioni in materia, gli scienziati hanno l’acquolina in bocca. Molti però si chiedono perché c’è tanto interesse in questo materiale: ora che l’Italia ha condotto la scienza un passo avanti in materia, si può tentare di dare una risposta attendibile e, soprattutto, comprensibile per tutti.
Spetta infatti ad un gruppo di studiosi della Scuola Normale Superiore dell’Università di Pisa – il prestigioso Ateneo italiano – il diritto di alzare la coppa e salire sul podio come primi classificati: grazie ai loro sforzi, l’Italia ha fatto fare un passo avanti alla tecnologia, un passo di cui potrà usufruire tutto il mondo. Questo passo lo ha fatto il Laboratorio NEST dell’Ateneo, che sotto l’egida dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia ha individuato un metodo per produrre grafene artificiale.
La ragione per cui produrlo artificialmente all’interno di un materiale ben noto è presto detta: è lo sfruttamento industriale, un processo che con il grafene naturale sarebbe improponibile da svolgere al momento. Una volta prodotto artificialmente, il grafene potrà essere impiegato per realizzare i microprocessori usati nei computer, cellulari e altri apparecchio elettronici. Con l’uso industriale del grafene artificiale, dunque, il silicio avrà le ore contate e le potenze di calcolo potrebbero salire vertiginosamente.
Vittorio Pellegrini, della SNS di Pisa, che con il team ha portato alla luce il grafene artificiale
Uno tra i principali artefici di questo piccolo grande terremoto in campo scientifico è Vittorio Pellegrini. Il dottor Pellegrini, il cui nutrito curriculum vitae è online sulla rete di Ateneo, è convinto che il grafene artificiale sia la prima pietra per costruire un futuro molto diverso dall’attuale. Per questo, The New Blog Times gli ha chiesto di chiarire ai lettori di cosa si tratta e quali prospettive si aprono con l’introduzione di questo innovativo meccanismo produttivo.
The New Blog Times: Sono un paio di anni che si parla di grafene anche fuori degli ambienti accademici. Cos’è, in breve?
Vittorio Pellegrini: Il grafene è un cristallo bidimensionale formato da atomi di carbonio posizionati ai vertici di un reticolo a nido d’ape; perciò il suo spessore è di un atomo. In realtà è un materiale tutt’altro che esotico: la grafite, di cui sono costituite le mine delle matite, che è formata dalla sovrapposizione di tantissimi piani di grafene. Il grafene è comparso sulla scena internazionale nel 2004, grazie ad una abile intuizione di un gruppo di ricercatori dell’Università di Manchester. I ricercatori inglesi scoprirono che la grafite naturale poteva essere esfoliata tramite un semplice nastro adesivo e i residui lasciati sul nastro potevano essere trasferiti su un substrato di diverso materiale. I residui cosí depositati risultano essere singoli fogli di grafene che possono quindi venire depositati in maniera molto economica ad esempio sul silicio. L’interesse verso il grafene è dovuto al fatto che la peculiare geometria a nido d’ape risulta in proprietà elettroniche uniche. Gli elettroni appartenenti agli atomi di carbonio sono costretti a muoversi secondo percorsi a simmetria esagonale in un piano, fatto che li rende simili a particelle senza massa (come i fotoni) che viaggiano nel materiale con una velocità molto vicina a quella della luce (circa un trecentesimo, cioè 1000 km/s). Sul substrato i fogli di grafene possono essere messi a contatto tra loro con elettrodi metallici e diventare un vero e proprio circuito integrato dalle eccezionali proprietà.
NBT: È destinato a rivoluzionare l’industria del silicio, dei microprocessori?
VP: Il grafene rappresenta una delle prospettive più entusiasmanti nella ricerca di nuovi materiali e approcci per la nano elettronica ma anche per applicazioni in campi quali quello della sensoristica ambientale o dell’energia pulita. Non è ancora destinato a rivoluzionare l’industria del silicio ma è senz’altro un candidato su cui la scienza depone molte speranze per superare i limiti previsti dalla legge di Moore.
NBT: Come è giunta nel gruppo l’idea di produrre grafene artificiale?
VP: Innanzitutto dalla constatazione che ad oggi (dopo 5 anni di intensa ricerca) non esiste una tecnica di fabbricazione del grafene soddisfacente, il che rappresenta un limite al suo utilizzo in dispositivi miniaturizzati. Infatti, ad ogni tentativo di produzione e deposizione su un substrato del singolo strato di grafene tramite la tecnica della esfoliazione meccanica dalla grafite (quella ad oggi più utilizzata) si ottengono per lo più multistrati di grafene e solo in alcuni casi un singolo strato. In aggiunta non si controllano le dimensioni, né il punto preciso dove il grafene si deposita e altre caratteristiche quali la concentrazione degli elettroni. Tutto questo, ovviamente, rappresenta un limite allo sfruttamento delle proprietà del grafene su scala industriale. Da qui è nata l’idea che sembra quella dell’uovo di Colombo. Poiché le proprietà straordinarie del grafene sono dettate dalla sua peculiare forma geometrica (a nido d’ape), ci siamo chiesti «perché non ricreare la stessa geometria in un semiconduttore tradizionale quale l’arseniuro di gallio, “scavandolo” con macchine per la nanolitografia che assicurano la riproducibilità richiesta dall’industria?» Questa idea è stata inizialmente validata da accurate simulazioni teoriche ed infine implementata nei nostri laboratori.
NBT: Sarà facile produrlo per le industrie e, soprattutto, significherà renderlo impiegabile come vogliono le industrie?
VP: “Facile” ancora non possiamo dirlo, ma crediamo che possa stuzzicare gli appetiti dell’industria per due motivi:
- Il primo poiché abbiamo realizzato il grafene artificiale in un semiconduttore all’arseniuro di gallio che è un materiale usato abbondantemente dall’industria per fare transistor veloci o laser.
- Il secondo poiché la tecnica di fabbricazione usata, basata sulla nanolitografia e l’attacco chimico, è intrinsecamente scalabile e porta a risultati estremamente riproducibili, cioè proprio ciò che vogliono le industrie per realizzare dispositivi commerciali.
NBT: In quanto tempo se ne potranno osservare le prime presenze e i primi vantaggi sul mercato?
VP: È difficile fare delle previsioni. Anzi, in questi casi ogni predizione si rileva quasi sempre sbagliata e quindi è meglio non sbilanciarsi. Comunque non prima di qualche anno.
NBT: Tutto ciò vuol dire che la legge di Moore andrà davvero a farsi benedire? Che per un orologio da polso “fare il videocellulare” non sarà che una delle funzioni, delle mille altre molto più “potenti”, che potrà svolgere?
VP: Gordon Moore profetizzò negli anni sessanta che il numero di componenti elettronici in un chip sarebbe raddoppiato ogni anno. Era, in ultima analisi, una profezia sulle capacità di elaborazione degli allora emergenti calcolatori elettronici. La storia seguente ha trasformato questa profezia in una vera e propria legge, fino ad oggi considerata un caposaldo dell’evoluzione dell’elettronica. Quella attuale è proprio l’era di Moore, caratterizzata da chip di silicio e componenti di dimensioni nanometriche (cioè del milionesimo di millimetro). Ma sebbene non ancora raggiunti, sono alle porte i limiti intrinseci della miniaturizzazione legati alle dimensioni del singolo atomo. Questo limite per i singoli componenti è invalicabile, e la tendenza prevista da Moore è destinata a subire un arresto a breve termine. L’unica strategia per aggirare l’ostacolo è quella di trovare nuovi materiali più funzionali, cioè che permettano di fare più cose contemporaneamente. Il grafene artificiale è un candidato promettente. Le proprietà elettroniche del semiconduttore che stanno alla base del funzionamento del dispositivo elettronico sono manipolate nel grafene artificiale da questa sorta di gabbia esterna, che viene realizzata ad-hoc. Gli elettroni acquistano caratteristiche nuove che sono determinate con precisione dal modo in cui configuriamo la gabbia esterna. È proprio questa caratteristica che rende questo materiale potenzialmente più funzionale e quindi un buon candidato per sconfiggere la “profezia di Moore”.
NBT: In concreto, la gente comune cosa vedrà di nuovo e di innovativo sul mercato quando il grafene artificiale diventerà pane quotidiano nei processi produttivi?
VP: Quando Townes inventò il laser, disse che aveva scoperto un bell’effetto di fisica ma che non sarebbe servito a nessun tipo di applicazione pratica. Poi sappiamo come è andata… Questo per dire che non è prudente lasciarsi andare a suggestive profezie. Quello che posso dire è che avere un semiconduttore con proprietà modulabili, come il grafene artificiale, fa pensare alla possibilità di integrare funzioni diverse in un unico dispositivo… ma dobbiamo capire di più le sue proprietà fondamentali prima di indentificare le migliori applicazioni. C’è ancora molta ricerca di base che dobbiamo portare avanti per capire le reali potenzialità applicative del grafene artificiale. Nel frattempo il grafene artificiale può essere un ottimo sistema per testare alcune predizioni della meccanica quantistica.
A fronte di questo quadro, dunque, diventa più lecito sognare: oltre all’indubbio orgoglio di aver visto l’Università italiana di nuovo nei titoli dei media specializzati, la possibilità di un deciso salto in alto verso l’elaborazione dati del futuro è molto, molto più vicina. Come è più vicina l’età della pensione, oltre che per il silicio, anche per Moore.
a cura di Marco Valerio Principato
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