Produrre grafene? Atomi di nichel come sarti

TRIESTE CITTÀ DELLA CONOSCENZA – Quante volte quando ci è caduta una matita abbiamo pensato: “ecco, la punta è andata e la grafite si sarà spezzata”. Sorprenderà però sapere che il materiale che costituisce la grafite ha proprietà ben diverse e molto più resistenti. Formato da una rete esagonale piana di un solo strato di atomi di carbonio, il grafene è sottilissimo, ma anche flessibile come la plastica e con una resistenza meccanica cento volte superiore all’acciaio. Nella grafite questi strati hanno piccole dimensioni e sono sovrapposti uno all’altro in maniera disordinata dando origine a un materiale che si sfalda facilmente. Questi stessi strati di grafene, se isolati e di dimensioni e qualità sufficienti, sono considerati invece un materiale praticamente perfetto per molteplici usi nel campo industriale e tecnologico. Il problema è però nella loro produzione, la cui difficoltà rende il loro utilizzo estremamente costoso. Una risposta che apre nuove possibilità nelle tecnologie di produzione arriva da una ricerca svolta in Italia e pubblicata di recente su Science. Lo studio è stato condotto dall’Istituto officina dei materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Trieste (IOM-CNR) e dal dipartimento di Fisica dell’Università degli studi di Trieste e individua il meccanismo finora non chiarito con cui viene abitualmente prodotto il grafene a livello industriale: l’accrescimento di grafene su una superficie di nichel avviene grazie agli stessi atomi del metallo che operano come veri e proprio sarti attraverso un processo simile alla cucitura.

Abbiamo intervistato Cristina Africh, dello IOM-CNR, per farci spiegare in cosa consiste questo processo.

Nome: Cristina Africh
Nata a: Trieste
Formazione: Laurea e Dottorato di Ricerca in Fisica
Gruppo di ricerca:  Struttura e Reattività di Superfici, Laboratorio TASC, Istituto Officina dei Materiali-CNR
Cosa amo di più del mio lavoro: La possibilita’ di rispondere a tanti “perchè” della natura
La sfida principale del mio ambito di ricerca: Trovare un linguaggio comune con altre comunità scientifiche per accelerare la traduzione in innovazione dei risultati della nostra ricerca di base

Che cos’è lo IOM-CNR e di cosa si occupa?

Lo IOM è un istituto del CNR che si occupa dello studio di materiali e di nanotecnologie e la sua sede principale è a Trieste. In particolare io lavoro presso l’istituto TASC che è la sezione che si occupa di scienza sperimentale nell’ambito delle nanoscienze e dei nanomateriali.

Tra le varie strumentazioni di cui è dotato il suo istituto c’è anche un microscopio a scansione a effetto tunnel che è stato cruciale nella vostra ricerca. Cos’è e come funziona?

Questo microscopio STM (dall’acronimo inglese Scanning Tunneling Microscope) è stato inventato nei primi anni 80’ fruttando il Nobel  ai suoi inventori Gerd Binnig e Heinrich Rohrer nel 1986. E’ un microscopio che, attraverso un fenomeno quantistico detto effetto tunnel, permette di vedere i singoli atomi sulla superficie. Questo avviene attraverso la misura della corrente che si instaura quando si pone una punta estremamente affilata in prossimità di una superficie che conduce elettricamente e si crea una differenza di potenziale. Quando questa distanza è estremamente piccola infatti alcuni elettroni riescono a fluire da un elemento conduttore all’altro, nel nostro caso dalla punta del microscopio alla superficie del campione che vogliamo esaminare, anche senza che vi sia un contatto. Questo fenomeno avviene appunto per l’effetto tunnel. L’intensità della corrente che si produce dipende in maniera esponenziale, quindi in maniera molto forte, dalla distanza della punta dalla superficie. E’ esattamente questo che permette di avere un’altissima risoluzione spaziale e quindi di apprezzare anche piccolissime differenze di altezza sulla superficie come quelle dovute alla presenza di singoli atomi. Quindi non si tratta di un microscopio ottico in cui andiamo a vedere delle immagini attraverso delle lenti. Con questo microscopio sfruttiamo, invece, un fenomeno di meccanica quantistica andando a misurare una corrente e da questo ricostruiamo le rugosità della superficie.

La vostra ricerca riguarda la produzione del grafene. Di che tipo di sostanza si tratta, come viene prodotta e quali applicazioni ha?

Questo materiale è composto da una rete esagonale di atomi di carbonio e sta ricevendo moltissimo interesse soprattutto dopo che dal 2004 è stato isolato da Andrej Gejm e Konstantin Novoselov, scoperta per la quale hanno ricevuto il Nobel nel 2010. Se noi partissimo dalla comune grafite, che è il materiale di cui sono fatte le matite, e la tagliassimo in strati riuscendo a ottenere uno strato con lo spessore di un solo atomo, questo strato sarebbe il grafene. Questo materiale ha della proprietà eccezionali a livello di meccanica, di flessibilità e soprattutto a livello di conducibilità di corrente e per questo viene visto come uno dei materiali più promettenti per la tecnologia del futuro. Negli ultimi anni l’Unione Europea ha investito tantissimi fondi nella sua ricerca e sviluppo al fine di renderlo pronto ed utilizzabile a livello industriale. Attualmente già viene adoperato in alcuni dispositivi ma il suo uso soffre di alcuni problemi. Il primo è il costo di produzione, il secondo è la qualità del materiale che si riesce a produrre. Le proprietà che rendono il grafene così speciale necessitano che sia il più vicino possibile a quello ideale, quindi un grafene fatto da un solo strato di carbonio, senza la presenza di difetti ed estremamente ordinato. Inoltre per poterlo applicare in un dispositivo bisogna produrne elementi di dimensioni sufficientemente grandi. Tutto questo si ottiene in maniera più o meno efficace a seconda della tecnica di produzione. Al giorno d’oggi si usano due approcci principali. Uno parte da pezzetti di grafite che attraverso una centrifuga vengono come sfogliati, cioè tagliati in fettine sottili fino a ridurli a piccoli fiocchetti di grafene. Questo procedimento però ha dei problemi intrinseci: in primis si riescono fare soltanto dei pezzetti di grafene piccoli, in secondo luogo la qualità è limitata perché è difficile tagliare in maniera uniforme un singolo strato di grafene e si introducono molte impurezze a causa delle sostanze che si utilizzano per separare la grafite. Questa tecnica è usata soprattutto in prototipi e dispositivi da laboratorio. L’altro approccio permette invece di produrre strati di grafene su una scala molto più grande e si chiama chemical vapour deposition ovvero deposizione da vapori chimici. Si tratta di un processo catalitico, ossia è basato su reazioni chimiche che vengono facilitate dalla presenza di un elemento terzo che non viene consumato durante il processo ma lo favorisce. In questo processo si espone la superficie di un metallo catalitico a un gas di idrocarburi. Il metallo catalitico a una certa temperatura rompe le molecole degli idrocarburi – gli idrocarburi sono composti che sono formati da carbonio e idrogeno – spezzando i loro legami chimici e creando così una riserva di atomi di carbonio sulla sua superficie. In condizioni di temperatura sufficienti questi atomi si depositano su questa  superficie organizzandosi in una rete fatta da un solo strato atomico, ossia il grafene. Questo è attualmente il mezzo di produzione più utilizzato per applicazioni su scala industriale poiché è quello che permette di produrne di più. Anche questa tecnica ha però dei problemi legati da al costo di produzione e anche in questo caso non è facile controllare il livello di difetti che vengono introdotti all’interno dello strato di grafene. Ed è proprio in questo contesto che si inserisce la nostra ricerca.

Cosa avete scoperto su questo processo?

Volevamo comprendere a livello atomico quali sono meccanismi con cui il grafene cresce per deposizione da vapori chimici su uno strato di nichel. Siamo andati quindi a vedere cosa avviene a livello dei singoli atomi e abbiamo osservato che quando si porta il substrato metallico ad alta temperatura non solo questo agisce da catalizzatore rompendo le molecole di idrocarburo, ma sono gli stessi atomi del substrato che di fatto cuciono la rete esagonale del grafene. E’ quindi la loro azione che è responsabile della formazione di più o meno difetti dello strato di grafene durante la produzione.

Questo processo di cucitura come avviene?

Questo processo di cucitura avviene quando sul substrato di nichel – ma la stessa cosa probabilmente succede anche sul rame che è l’altro metallo maggiormente utilizzato per questo metodo di produzione – gli atomi di carbonio iniziano a coagularsi in piccolissimi fiocchi di grafene. Tuttavia affinché si possa formare un fiocco di grafene sufficientemente largo da poter essere utilizzato c’è bisogno che ulteriori atomi di carbonio si attacchino al suo bordo. Qui entrano in gioco dei singoli atomi di metallo che viaggiano sulla superficie del substrato alle temperature a cui il grafene viene abitualmente prodotto e che subiscono un effetto di attrazione dal bordo del fiocco di grafene che sta crescendo.

Quindi ci sono degli atomi sulla superficie del metallo che sono capaci di muoversi?

Sì. Di solito si pensa a una superficie come una cosa statica in cui gli atomi sono sistemati in una certa maniera. In realtà quando noi scaldiamo una superficie, questa non si comporta in maniera così stabile e statica: ci sono sempre degli atomi in particolari posizioni che si staccano dai suoi bordi e viaggiano su di essa. Questo è un fenomeno naturale che avviene per qualsiasi superficie al di sopra di una certa temperatura. Nella produzione del grafene questi atomi che si staccano spontaneamente dalla superficie quando hanno un fiocco nelle loro vicinanze a volte vengono attratti sul suo bordo. Qui favoriscono con un processo catalitico il fissaggio di altri atomi di carbonio facendo così crescere il fiocco stesso: man mano questi atomi mobili si spostano lungo il bordo del grafene e lì dove passano attirano e favoriscono la formazione di legami chimici con altri atomi di carbonio in una maniera molto ordinata e procedendo  riga per riga proprio come un lavoro a maglia.

Come avete fatto a scoprire questo processo?

Grazie al nostro microscopio STM che consente un’altissima risoluzione abbiamo osservato cosa succede quando una superficie di metallo, in questo caso di nichel, viene esposta a un gas di idrocarburi a temperature intorno ai 500 gradi che sono la temperatura minima a cui si produce la crescita di grafene. Abbiamo prodotto dei filmati su porzioni molto piccole della superficie acquisendo fino al sessanta immagini al secondo. Lo abbiamo fatto per diversi minuti e questo ci ha permesso di osservare più volte il processo di crescita del grafene. Abbiamo visto che, in effetti, una volta che l’atomo di metallo viene attratto sul bordo del grafene non è detto che rimanga lì a lungo. Non basta quindi un solo atomo mobile per costruire tutta una riga di grafene e magari anche le successive. Questi atomi non sono attaccati così fortemente al bordo del fiocco, possono viaggiare lungo di esso, ma anche scappare via. In questo caso bisogna aspettare che ne arrivi un altro e riprenda il processo. Siccome ce ne sono tanti che viaggiano sulla superficie questo avviene nel giro di poco tempo. Noi siamo riusciti quindi a monitorare per diversi minuti quello che succede al bordo del grafene finché abbiamo visto diversi di questi processi in cui l’atomo di nichel arriva, scorre sul il bordo del grafene consentendo la sua crescita e a un certo punto si stacca fino a quando non arriva un nuovo atomo che riprende lì dove il primo ha lasciato il processo e continua a far crescere il fiocco.

Il vostro studio ha avuto anche una parte teorica.

Certamente. Noi con l’STM riusciamo a vedere che succede qualcosa sulla superficie, però guardare un filmato STM è un po’ come guardare un filmato muto. Si vedono gli attori che fanno qualcosa sulla superficie , ma gli attori non parlano, non ci dicono chi sono e cosa stanno facendo. Per capirlo c’è bisogno di integrare le misure STM con conti teorici che, a partire dai dati sperimentali, permettano di spiegare il processo. Nei nostri filmati abbiamo ipotizzato quale potesse essere, secondo noi, il meccanismo ragionevole con cui avveniva il processo e abbiamo individuato anche alcuni stati intermedi come ad esempio il modo con cui l’atomo di nichel si posiziona al bordo del grafene. Con questi dati ci siamo rivolti a un gruppo di teorici guidato dalla professoressa Maria Peressi che si occupa di calcoli qui all’Università di Trieste e coinvolgendo un altro gruppo di teorici che lavora all’Università di Cordoba in Argentina. Loro ci hanno confermato che delle particolari strutture che avevamo osservato al bordo del grafene e che pensavamo essere dovute alla presenza di un singolo atomo di nichel esistevano effettivamente e a partire da questo sono riusciti a interpretare tutto il meccanismo catalitico della crescita del grafene.

Che ricadute può avere la vostra ricerca?

Le ricadute non sono immediate. La nostra è una ricerca di base: noi andiamo a capire i processi fondamentali che avvengono e come avvengono. Una ricerca di questo tipo però chiarisce qual è il meccanismo chiave che regola il processo di crescita e la qualità del grafene, perché alla fine è il tipo di lavoro fatto dall’atomo di nichel che determina la crescita più o meno ordinata del fiocco. A partire da queste informazioni si dovrebbero svolgere ora degli studi a livello di ricerca applicata su sistemi anche un po’ differenti da quelli che abbiamo utilizzato noi in modo da trovare i parametri migliori da utilizzare durante il processo di produzione industriale, come ad esempio il tipo di substrato o la temperatura e migliorare la qualità del grafene. Questo consentirebbe anche di ridurre i costi di produzione perché si riuscirebbero ad ottenere più facilmente e velocemente strati di grafene ottimali.

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