Super sottile, flessibile, molto resistente e perfetto per molteplici usi in campo industriale e tecnologico: sono questi i vantaggi del grafene.

Di contro, la difficoltà di produzione – che lo rende costoso -, e la qualità del materiale che si riesce a produrre, costituiscono dei limiti oggettivi.

Le proprietà che rendono il grafene così speciale necessitano che sia il più vicino possibile a quello ideale: composto da un solo strato di atomi di carbonio, senza la presenza di difetti ed estremamente ordinato.

Tutto questo si ottiene in maniera più o meno efficace a seconda delle costose tecniche di produzione utilizzate.

Nuove frontiere nella produzione di grafene

Le vie della ricerca, però, sono infinite e in un recente studio condotto dal dipartimento di Fisica dell’Università degli studi di Trieste e dall’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Trieste (Iom-Cnr), si è individuato il meccanismo di accrescimento del grafene sulla superficie del nichel, un comune metallo, il che apre nuove possibilità sulle tecnologie di produzione.

Non a caso la scoperta è stata pubblicata su Science, prestigiosa rivista scientifica internazionale, col titolo Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel.

“Sulle superfici metalliche sono presenti singoli atomi, liberi di muoversi agilmente, che partecipano a molti dei processi che avvengono sulle superfici stesse”, spiega Cristina Africh, dell’Iom-Cnr. “Nel nostro studio abbiamo evidenziato che, in un campione di nichel utilizzato per la generazione di grafene, sono proprio gli atomi del nichel ad agire da catalizzatori, facilitando il processo di formazione del costoso materiale”.

L’accrescimento del grafene su una superficie di nichel avviene grazie agli stessi atomi del metallo, che agiscono come veri e proprio sarti attraverso un processo simile alla cucitura.

Il team scientifico ha registrato tutto il processo in tempo reale, rivelando il comportamento dei singoli atomi superficiali grazie a un modulo di scansione ad alta velocità sviluppato negli anni scorsi in collaborazione con Elettra-Sincrotrone Trieste e poi perfezionato con un finanziamento europeo.

Strumenti e sistemi della ricerca

Con un microscopio a scansione a ‘effetto tunnel’ si è filmato quello che avviene al bordo del foglio di grafene mentre cresce a una temperatura di circa 450 gradi centigradi, fino ad arrivare a raccogliere 60 immagini al secondo, una frequenza di gran lunga superiore a quelle utilizzate in cinematografia o in televisione e percepite dall’occhio umano.

È un microscopio speciale che permette di vedere i singoli atomi sulla superficie e grazie all’altissima risoluzione spaziale si possono apprezzare anche piccolissime differenze di altezza su un materiale, come quelle dovute appunto alla presenza di singoli atomi.

Si è così potuto osservare che quando si porta il substrato metallico ad alta temperatura questo agisce da catalizzatore rompendo le molecole di idrocarburo. Ma non finisce qui. Sono gli stessi atomi del substrato che di fatto cuciono la rete esagonale del grafene, quindi la loro azione è responsabile della formazione di più o meno difetti dello strato di grafene durante la produzione.

“Dai filmati emerge un processo di crescita che avviene riga per riga, come quando una macchina per tessitura intreccia un filo per formare un pezzo di stoffa: i singoli atomi di nichel svolgono, a livello microscopico, la stessa funzione dell’ago della macchina, come se cucissero in sequenza ordinata nuovi punti al bordo del tessuto”, sottilinea Giovanni Comelli, dell’Università di Trieste. “Le simulazioni numeriche sono per lo più basate sulla meccanica quantistica e spiegano il ruolo svolto dagli atomi di nichel che, attaccandosi ai bordi del grafene, consentono l’inclusione di nuovi atomi di carbonio”.

Oltre al rilevante valore scientifico, questo risultato ha interesse applicativo, considerando che uno degli attuali metodi di produzione industriale prevede proprio l’utilizzo di un substrato di nichel per la crescita di strati di grafene caratterizzati da pochi difetti e da un costo di realizzazione ridotto.

“La conoscenza dei dettagli del meccanismo di crescita, fino a oggi ignoti, è fondamentale per definire una strategia di sviluppo di nuovi e più efficienti processi di produzione del grafene a livello industriale”, conclude Africh.

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