Silicene, l'analogo in silicio del grafene

Prodotto per la prima volta un foglio di silicene, un materiale bidimensionale simile al grafene ma composto da atomi di silicio. La sua esistenza era stata prevista teoricamente; ma non era ancora stata dimostrata in maniera convincente. Il nuovo materiale, dalle proprietà elettroniche simili a quelle del grafene, promette di essere più agevolmente integrabile nei dispositivi elettronici    (red)

La scoperta delle singolari proprietà del grafene da parte di Andre Geim e Konstantin Novoselov, che per questo hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2010, ha aperto l’era dei materiali “bidimensionali” spingendo i ricercatori a studiare nuovi materiali 2D che proprio in virtù del loro confinamento in un piano mostrassero caratteristiche altrettanto se non più interessanti. Solo ora però si profila un serio concorrente al “trono” del grafene: il silicene.

Come annunciano in un articolo pubblicato sulle “Physical Review Letters” un gruppo di ricercatori della Technische Universität di Berlino, del CNR-ISM a Roma, dell’Université d'Aix-Marseille e del Synchrotron SOLEIL a Saint Aubin è riuscito a produrre, mediante una tecnica di condensazione di vapore di silicio su un substrato d’argento, un foglio monomolecolare di silicio, il silicene appunto. Il particolare interesse del silicene è dovuto al fatto che esso dovrebbe avere proprietà elettroniche simili di grafene, ma dovrebbe essere più compatibile e integrabile con gli attuali dispositivi elettronici a base di silicio.

L’esistenza del silicene era stata prevista per via teorica fin dal 1994, ma sembra che in natura non esista in natura né che esista una fase solida del silicio che sia il corrispettivo di ciò che è la grafite per il carbonio, "di conseguenza – ha detto Patrick Vogt, uno degli autori della ricerca – strati di puro silicene 2D non possono essere generati con metodi di esfoliazione come nel caso del grafene e devono essere presi in considerazione metodi più sofisticati per la crescita di silicene".

Nel 2010, un altro gruppo di Aix-Marseille diretto da Bernard Aufray aveva cercato di ottenere il silicene con una

tecnica affine a quella utilizzata in questo ultimo studio, portando a supporto del risultato immagini e misurazioni ottenute in microscopia a effetto tunnel. Tuttavia, la comunità scientifica non era rimasta convinta dell’effettiva produzione del silicene dato che – come viene ricordato nell’articolo “non è la prima volta nel campo della ricerca che le misure STM sono fuorvianti nell’individuazione di trovare un modello strutturale atomico”.

Per questo i ricercatori hanno voluto produrre una dimostrazione inappuntabile dell’esistenza del silicene, impegnandosi in uno sforzo che ha richiesto la mobilitazione in campi e tecniche disparate. Alla fine, il risultato è stato raggiunto: lo strato silicene 2D formato sulla superficie del substrato in argento mostrava una modalità di crescita e aspetti strutturali e chimici previsti dalla teoria per il silicene; la distanza fra gli atomi vicini di silicio era “ragionevole”; la velocità Fermi corrispondeva a quella prevista per un sistema 2D; la dispersione elettronica era simile a quella dei fermioni relativistici di Dirac; il sistema era energeticamente stabile.

Ora i ricercatori intendono cercare di far crescere il silicene su materiali diversi dai metalli, per esempio semiconduttori o isolanti, cosa che consentirebbe una ancora maggiore adattabilità del materiale ale future applicazioni tecnologiche.

Antibatterica e magnetica la carta diventa intelligente

Il nostro Istituto Italiano di tecnologia di Genova ridà nuova speranza alla carta. Molti futurologi avevano predetto la fine della carta come supporto. Invece non è escluso che il supporto del futuro sia la carta. Ma una nuova forma di carta, dotata di un plus che l'innovazione delle nanotecnologie ci mette a disposizione.
Invece di cristalli liquidi, led, schermi a matrice di qualunque tecnologia, il vecchio supporto di cellulosa potrebbe rivelarsi la chiave di volta del futuro della parola scritta (e forse anche delle immagini in movimento... chissà...). Buona lettura!

Sergio

dal sito: www.repubblica.it

RICERCA

Il materiale si arricchisce grazie a nanoparticelle di natura diversa che di volta in volta danno diverse qualità, lasciando intatta la struttura originaria. La tecnica messa a punto all'Istituto italiano di tecnologia di Genova di ALESSIA MANFREDI

MAGNETICA, antibatterica, fosforescente, idrorepellente e altro ancora: la carta diventa intelligente, grazie a infinitesimali particelle che le regalano nuove proprietà, conservandone però intatta la struttura originaria. L'idea di arricchire un materiale quotidiano, ubiquo e basso costo, grazie alla nanotecnologia è nata in Italia nei laboratori dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova dove un gruppo di giovani scienziati internazionali ha messo a punto la tecnica. Semplice, quasi banale, che apre però la via ad un futuro di applicazioni sempre più complesse.

Come si ottiene la super carta? Foderando le singole fibre di cellulosa con nanoparticelle di natura diversa che danno di volta in volta effetti specifici. Con l'ossido di ferro la carta diventa magnetica, l'argento invece la rende antibatterica, con il biossido di silicio diventa idrorepellente. Ma rimane sempre carta e ne conserva comodità e versatilità: si piega, si stampa, si arrotola, si accartoccia.

"Non si tratta di applicare una superficie sul foglio" spiega a Repubblica. it Roberto Cingolani, direttore scientifico dell'IIT. "E' piuttosto un involucro tridimensionale che avvolge ogni singola fibra, aumentando così gli usi possibili dei prodotti cartacei". Una piccola rivoluzione, che a Despina Fragouli, team leader del Centro per le nanotecnologie biomolecolari dell'IIT è valsa il premio TR35-giovani innovatori, ideato da Technology Review, la rivista del Mit americano, andato anche ad altri tre ricercatori dell'istituto per ricerche diverse.

"Al progetto ha lavorato un gruppo di ricercatori giovani, fra cui molte donne, di diversi paesi" racconta Cingolani. "Spesso", continua, "si ha l'idea che le nanotecnologie implichino processi che necessitano di budget stratosferici, ma non è sempre così e questo caso lo dimostra".

La tecnica - brevettata dall'istituto - non è particolarmente complicata, anzi. Ed è talmente "friendly", che all'istituto la usano per fare esercitazioni pratiche con gli studenti dei licei. Sulle colline di Bolzaneto, sede della struttura - fondazione istituita con il Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca e dal Ministero dell'Economia e Finanze per promuovere l'eccellenza nella ricerca di base e applicata - è in forza un esercito di oltre 650 cervelli. Vengono da 35 paesi diversi, età media 33 anni e mezzo. Fra questi anche molti "cervelli di ritorno" che fanno ricerca fra nanotecnologie, neuroscienze, sviluppo di farmaci intelligenti e robotica avanzata: è qui, infatti, che è nato iCub, il cucciolo di robot antropomorfo e prima piattaforma umanoide open source - sia per l'hardware che per il software - ideata per studiare la cognizione umana e l'intelligenza artificiale.

La carta intelligente guarda avanti. Una delle possibili applicazioni riguarda il campo dei documenti preziosi che si possono, ad esempio, crittografare magnetizzandone una piccola porzione. Fogli antibatterici possono essere impiegati per impacchettare alimenti. "Un tessuto antibatterico ha ovvie applicazioni in campo medico", sottolinea Cingolani. Perché la carta è solo un primo gradino, il meno complesso. La tecnica si può applicare anche a diversi materiali, fra cui, per primi, i tessuti.

 

(23 aprile 2012)

Le sorprese del grafene: il "materiale delle meraviglie

Da sito : www.repubblica.it
MATERIALI

Un composto da premio Nobel, con straordinarie proprietà fisiche e chimiche ancora tutte da scoprire. Dai metodi di produzione basati sui microbi fino ai nuovi dispositivi elettronici, ecco le nuove interessanti scoperte sul grafene di MASSIMILIANO RAZZANO

• Grafene, la chiave del futuro

IMMAGINATE un materiale capace di condurre l'elettricità meglio del rame, trasparente come il vetro e più resistente dell'acciaio. Immaginate poi di poterlo piegare come se fosse plastica, e realizzare così schermi touchscreen da arrotolare e portarvi in tasca. Pura fantascienza? Forse no, perché gli scienziati conoscono già da anni il grafene, un "materiale delle meraviglie" con proprietà ed applicazioni in parte ancora ignote.

Così, mentre parte della comunità scientifica sta studiando le caratteristiche del grafene, molti ricercatori in tutto il mondo sono impegnati a sviluppare tecniche di produzione innovative, come quella recentemente sviluppata alla Toyohashi University of Technology ².

Un gruppo coordinato da Yuji Tanizawa è infatti riuscito ad "addomesticare" dei microorganismi raccolti in un fiume vicino al campus universitario, nella prefettura di Aichi, ed utilizzarli così per produrre i sottilissimi fogli di grafene. Il nuovo metodo, presentato sulle Conference Series del Journal of Physics, sfrutta quindi un procedimento ibrido che combina processi chimici ed agenti biologici e che potrebbe offrire un nuovo canale per produrre grafene di alta qualità, a basso costo, e nel completo rispetto dell'ambiente.

Un materiale da premio Nobel. Costituito da uno strato di atomi di carbonio collocati su una struttura a nido d'ape, il grafene è considerato uno dei materiali più promettenti del futuro. Questo materiale bidimensionale è infatti ultrasottile, flessibile, ed è circa 200 volte più resistente dell'acciaio. E' inoltre un ottimo conduttore di calore e di elettricità, e per le sue proprietà di trasporto degli elettroni è già considerato l'erede del silicio ³nell'elettronica del futuro.

Ma uno degli aspetti più sorprendenti del grafene è che ce l'abbiamo sotto gli occhi praticamente quasi tutti i giorni, ogni volta che scriviamo con una matita. La grafite, di cui è fatto il cuore delle nostre matite, è infatti una sovrapposizione di strati di grafene separati da tre decimilionesimi di millimetro.

Nonostante molti studi teorici avessero iniziato a delineare le proprietà fisiche e chimiche degli strati di grafite sin dalla prima metà del Novecento, il grafene rimase per decenni lontano dai laboratori. Si riteneva infatti che la configurazione atomica del grafene fosse altamente instabile e che fosse quindi impossibile crearlo a temperatura ambiente.

Tutto cambiò nel 2004, quando un gruppo di ricercatori dell'Università di Manchester, guidati da Andre Geim e Konstantin Novoselov, riuscì per la prima volta ad isolare il grafene in laboratorio. Geim e Novoselov avevano infatti usato un nastro adesivo per strappare singoli piano di grafene da un substrato di grafite. La scoperta, discussa su Science nell'ottobre 2004 ⁴, era così rivoluzionaria da meritare un biglietto per Stoccolma in tempi record. Dopo solo sei anni, Geim e Novoselov ricevettero il premio Nobel 2010 per la Fisica ⁵, per "i pionieristici esperimenti sul materiale bidimensionale grafene".

Batteri mangia-grafite. La scoperta di Geim e Novoselov aprì la strada ad un nuovo settore della fisica dei materiali, su cui iniziarono a lavorare scienziati in tutto il mondo. Molti gruppi di ricerca, come quello di Tanizawa, si concentrano oggi sullo sviluppo di tecniche di produzione alternative al metodo di esfoliazione adottato da Geim e Novoselov.

Il gruppo giapponese lavora infatti sui metodi di tipo chimico, che sfruttano cioè reazioni per produrre grafene a partire dall'ossido di grafite. Questo materiale ha una struttura laminare molto simile alla comune grafite, ma dove però ad alcuni atomi di carbonio sono legati altri atomi, come ad esempio ossigeno ed idrogeno. Per produrre il grafene, si operano dei processi chimici di riduzione, nei quali cioè vengono ceduti elettroni all'ossido di grafite, in modo da spezzare i legami con l'ossigeno e ricondursi poi ai singoli piani di grafene.

Tuttavia questi processi chimici utilizzano come reagente l'idrazina, oppure si basano sul riscaldamento ad altissime temperature, due tecniche che rendono il procedimento molto costoso e persino tossico. Per questo motivo i ricercatori giapponesi hanno deciso di "chiedere aiuto" ad alcuni microorganismi capaci di operare processi di riduzione chimica.

Molti batteri, come ad esempio quelli della specie Shewanella oneidensis, ricavano infatti energia dai processi di riduzione, trasportando cioè elettroni verso l'esterno in un curioso processo di respirazione cellulare ⁶. Facendo "respirare" ai microbi l'ossido di grafite per tre giorni ad una temperatura controllata di 28 °C, i ricercatori sono così riusciti ad ottenere frammenti di grafene grandi 100 micron e di ottima qualità, in un processo non tossico e poco costoso.

Dai transistor alle reti superveloci. Produrre grafene di qualità e a costi contenuti è una priorità, soprattutto in vista delle nuove potenzialità che si scoprono giorno dopo giorno. Sicuramente le applicazioni più promettenti sono legate all'elettronica, viste le peculiari proprietà del grafene nella conduzione di corrente. Nel 2010 ad esempio, un team della IBM è riuscito a creare transistor al grafene capaci di operare a frequenze superiori a 100 GHz.

Tuttavia per fare il salto verso processori a base di grafene occorre superare un ostacolo legato alle perdite di corrente di questi transistor, che impediscono di montare troppi transistor in un singolo circuito. Un ostacolo che potrebbe presto essere superato grazie ad una nuova scoperta realizzata da Andre Geim e pubblicata a febbraio su Science ⁷.

Geim e colleghi hanno infatti sfruttato la "terza dimensione" del grafene, accoppiando diversi strati di questo materiale con vari strati di metallo, creando così transistor di nuova generazione. Le proprietà quantistiche del grafene, legate ad esempio al basso momento magnetico dei nuclei di carbonio, rendono inoltre questo materiale un ottimo candidato per creare i dispositivi di base per la spintronica, ovvero l'elettronica basata sui bit quantistici, o qubit, che dovrebbe essere alla base dei computer quantistici ⁸.

Ma le meraviglie del grafene potrebbero portarci altri regali futuri, fra cui sistemi di trasmissione digitale ancora più veloci. E' infatti possibile alterare i livelli energetici del grafene per renderlo più o meno trasparente e creare così dei modulatori ottici, ovvero degli interruttori capaci di controllare il percorso dei segnali luminosi. I primi modulatori ottici a base di grafene, grandi pochi micron, sono stati realizzati all'Università di Berkeley e presentati per la prima volta su Nature ⁹ nel maggio dell'anno scorso. Questi 'interruttori luminosi' saranno utilissimi nell'ottica quantistica e nella comunicazione digitale ad altissima velocità.

Come la plastica cento anni fa. Le potenziali applicazioni vanno oltre l'elettronica o l'ottica. Per esempio, la densità del grafene lo rende impermeabile ai gas, una proprietà che potrebbe essere sfruttata per creare filtri più efficienti, ad esempio nella produzione di biocarburanti. Essendo poi un materiale praticamente bidimensionale, il grafene può essere usato per costruire sensori a grande area sensibile capaci di individuare singoli atomi, e costruire così rilevatori di sostanze tossiche estremamente sofisticati.

L'accoppiata fra le proprietà elettriche e meccaniche del grafene permetterà inoltre di costruire molti dispositivi estremamente efficienti e flessibili, fra cui schermi touchscreen ¹⁰, batterie ad alta capacità e pannelli solari di nuova generazione. Inoltre, i fogli di grafene possono essere arrotolati in nanotubi di carbonio, che già oggi sono alla base di moltissime applicazioni nel campo delle nanotecnologie.

Ma l'aspetto forse più intrigante è che gli scienziati sono ancora lontani dalla comprensione completa delle proprietà del grafene. Fino a pochi mesi fa non si sapeva molto delle proprietà magnetiche di questo materiale, fino a quanto il gruppo di Geim è riuscito a mettere in evidenza le prime tracce di fenomeni magnetici nel grafene, come descritto in un articolo apparso a gennaio su Nature Physics ¹¹. E' sicuro che anche questa scoperta porterà a nuove interessanti applicazioni.

Il grafene è quindi ancora ricco di misteri. Le sue potenzialità sono così grandi che oggi è praticamente impossibile immaginarle tutte. A cosa servirà il grafene? Una domanda a cui nemmeno il premio Nobel Andre Geim sa ancora rispondere, come ebbe modo di dichiarare ai tempi del Nobel. "Non lo so. E' come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo fa e chiedergli cosa ci si può fare. Un po' di tutto, penso". Detto da un premio Nobel, non possiamo che fidarci.
 

(18 aprile 2012)