Al di là del premio Nobel, quali prospettive per il grafene?

Se non hai mai sentito parlare prima del grafene, potresti averne saputo qualcosa in occasione delle premiazioni del Nobel di quest'anno. Infatti due fisici russi dell'Università di Manchester (Regno Unito) sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica "per gli innovativi esperimenti riguardanti il materiale bidimensionale grafene". Come riconosciuto dal Comitato per il Nobel per la Fisica quando ha assegnato il premio 2010 ai fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov, Manchester è il luogo di lavoro seminale sul grafene, incluso il primo laboratorio di produzione di fogli di grafene.
Il grafene è una materiale di carbonio spesso come un singolo atomo, più duro di un diamante e più conduttivo del rame. E' composto da atomi di carbonio disposti su un piano secondo una struttura esagonale. La grafite, utilizzata nelle comuni matite, non è altro che costituita da molti strati di grafene sovrapposti. Depositando con una matita una traccia di grafite su un foglio di carta si lasciano centinaia di strati di graphene sovrapposti.
Tale materiale è considerato talmente promettente da poter cambiare tutta la nostra tecnologia.
Tra le possibili applicazioni: microchip di nuova concezione non più basati sul silicio che potrebbero raggiungere facilmente prestazioni quantificabili nell'ordine di svariate centinaia di Gigahertz (o anche qualche Terahertz).
Il passaggio all'era del grafene ci permetterebbe infatti di compiere un balzo in avanti considerevole per costruire semiconduttori oltre i limiti della tecnologia basata sul silicio e per costruire condensatori in grado di ricaricarsi in un millesimo di secondo. Potrebbe offrire applicazioni per il rendimento elevato delle celle solari, degli schermi LCD, dei sensori fotonici e magari per muovere anche veicoli elettrici.
Ora che il grafene è risultato stabile in strati ultra-sottili, gli sforzi di ricerca per capire più a fondo e per produrlo in grandi quantità sono lievitati. Eppure, il grafene è ancora in fase di sviluppo, la commercializzazione e il suo percorso rimane da stabilire. James Meindl, professore del Georgia Institute of Technology, prevede che il 2024 possa essere l'anno dello switch, cioè il passaggio di consegne del silicio al grafene.
Come segnalato da un nostro lettore in un commento a questo post, oltre al record del mondo ottenuto recentemente con transistor di grafene ad alta velocità, l'anno scorso un team cileno ha sviluppato un modello funzionante di automa cellulare implementato su un foglio di questo materiale.
E il grafene è alla base di un nuovo passo verso un computer in grado di elaborare informazioni su scala subatomica, i ricercatori della University of California, Riverside sono riusciti a sviluppare una tecnica di "tunnelling spin injection" (termine usato per descrivere la conducibilità attraverso un isolante) che potrebbe costituire la base del cosiddetto spin computer.
Lo spin computer funziona grazie a singoli elettroni e alla loro proprietà intrinseca di polarizzazione detta appunto spin. Ogni elettrone può avere uno spin "up" o "down", e se si riuscisse a sfruttare questa natura binaria per immagazzinare dati digitali si potrebbe memorizzare ed elaborare grandi quantità di informazioni usando meno energia, producendo meno calore e con performance molto più veloci rispetto ai computer convenzionali oggi in uso.
I ricercatori sono riusciti a ottimizzare il processo di "iniezione" dello spin sugli elettroni di uno strato di grafene attraverso un elettrodo ferromagnetico. Questa tecnica è generalmente inefficiente ma gli scienziati californiani sono riusciti nell'impresa adottando un materiale isolante in grado replicare l'effetto tunnel.
"Abbiamo registrato un incremento dell'efficienza di 30 volte nell'iniezione di spin con il quantum tunneling attraverso il materiale isolante nel grafene - ha detto il professore Roland Kawakami che ha condotto la ricerca - Altrettanto interessante è il fatto che il materiale isolante funzionava come una valvola a una sola via, permettendo al flusso di elettroni di andare in una direzione - dall'elettrodo al grafene - ma non nell'altra".
Il team di ricerca ha inoltre risolto il problema della scarsa capacità che ha il grafene di legare con i materiali, nel nostro caso l'isolante necessario a replicare l'effetto di tunnelling spin injection, ricoprendolo con un sottile strato di titanio. Altra importante conseguenza degli scienziati è infine l'immagazzinamento di spin dalla durata molto lunga rispetto a quelle fin qui registrate: all'aumentare del ciclo vitale degli spin elettronici aumenta anche la quantità di operazioni digitali da poter applicare alle unità di informazione.
Una delle applicazioni nanotecnologiche più incredibili grazie alle ricerche su questo materiale è quella dei nanotubi di carbonio cioè strutture basate sui fullereni che consistono di cilindri di grafene. L’importanza dei nanotubi di carbonio è legata al fatto che queste nanostrutture possono esibire un comportamento metallico o semiconduttivo, a seconda della struttura geometrica che li caratterizza. In particolare, i nanotubi metallici possono essere utilmente impiegati nella realizzazione di interconnessioni nanometriche tra dispositivi, consentendo di risolvere le problematiche legate alla miniaturizzazione dei circuiti. Inoltre, queste nanostrutture sono potenzialmente in grado di sopportare densità di corrente molto più elevate di quelle trasportate dalle attuali interconnessioni in rame, nonché di consentire un’ottima conduzione del calore.
Il grafene si è rivelato, da ricercche del MIT,  persino capace di generare elettricità dal calore: un nanotubo di carbonio "riempito di combustibile" lo ha reso un accumulatore di energia di efficienza ed efficacia straordinarie. Si ipotizza che la densità di energia di questi nanotubi di carbonio potrebbe avere capacità 100 volte superiori a quella delle attuali batterie agli ioni di litio.
I nanotubi di carbonio usati come "pila" potrebbero essere una fonte di alimentazione per apparecchi di diagnosi medica, transponder, segnalatori, razzi e satelliti e ogni altro apparecchio a basso assorbimento. In prospettiva, sensori microscopici e nanomacchine alimentate potrebbero circolare nel sistema circolatorio umano per scopi medici.
Un’altra importante applicazione di queste nanostrutture riguarda la realizzazione di unità di memoria estremamente più veloci di quelle presenti attualmente sul mercato (ad esempio le memorie FLASH). La particolarità della struttura, oltre naturalmente alle dimensioni, riguarda la capacità dei nanotubi di mantenere il contatto anche in assenza di campo elettrico, consentendo di creare memorie RAM (Random Access Memory) in grado di mantenere i dati anche a computer spento. Le NRAM ( nano-RAM) cioè memorie non-volatili a nanotubi di carbonio, avranno una densità di memoria molto elevata: almeno 10-100 volte le nostre attuali migliori tecnologie di memoria. La produzione di massa NRAM potrebbe soppiantare le DRAM (dynamic RAM), le SRAM (static RAM), la memoria flash, e portare alla fine dell'archiviazione su disco rigido stesso. I dispositivi NRAM sarebbero altamente resistenti all'usura, compreso il calore, il freddo, e il magnetismo.
Nelle applicazioni energetiche gli ultimi studi dell’ENEA si stanno focalizzando proprio sulle proprietà elettrocatalitiche di fogli grafenici, trattati opportunatamente in modo da aumentarne la conducibilità, ad esempio per utilizzarli al posto del platino nelle celle a combustibile, così da ridurre i costi, ma ottenere alte prestazioni. Oppure proprio per il fotovoltaico di "terza generazione", sostituendo il grafene con il silicio o, ancora, nelle celle a combustibile per immagazzinare idrogeno.
Tutto ciò dà la sensazione che siamo all'alba di una rivoluzione nell'elettronica, nei superconduttori e nell'informatica grazie al grafene e ai nanotubi di carbonio, e il recente premio Nobel a due ricercatori russi rende questa sensazione ancora più forte.
Immagine in alto da Wikipedia