Sensori chimici fatti di grafene
Le eccezionali proprietà di trasporto elettronico e di spin dei nano nastri di grafene sono alla base dello sviluppo di sensori chimici estremamente sensibili.
Sin dalla sua scoperta quindici anni fa, il grafene è sempre stato considerato uno tra i nanomateriali più promettenti grazie alle sue proprietà uniche. È molto leggero, trasparente, incredibilmente resistente, ha un’alta stabilità termica e un’ottima conducibilità elettrica tanto che ha il soprannome di materiale meraviglia.
Il grafene viene largamente studiato perché potenzialmente potrebbe rivoluzionare interi settori industriali e di ricerca, dall’elettronica alla biomedicina, all’energia, all’aeronautica.
Angelo Valli è alla University of Technology di Vienna per studiare le proprietà di trasporto del grafene a livello nanoscopico al fine di sfruttare le sue caratteristiche nella realizzazione di sensori chimici più sensibili e selettivi.
Nome: Angelo Valli
Età: 35 anni
Nato a: Roma
Vivo a: Vienna (Austria)
Dottorato in: fisica (Vienna)
Ricerca: Interferenza quantistica per sensori chimici basati sul grafene
Istituto: Institute for Theoretical Physics, Vienna University of Technology (Austria)
Interessi: calcio, squash, pallavolo, videogiochi, viaggiare
Di Vienna mi piace: è molto vivibile, è una città molto bella
Di Vienna non mi piace: è un po’ difficile integrarsi da stranieri
Pensiero: The needs of the many outweigh the needs of the few. Or the one. (Star Trek II – L’ira di Khan)
Cosa rende il grafene un buon materiale per i sensori?
Un po’ tutte le sue caratteristiche, soprattutto il fatto che è molto sottile e ogni atomo che lo compone è a contatto con l’ambiente circostante e può percepirne i cambiamenti.
Al momento ci sono diversi studi su rilevatori di gas a base di grafene: l’idea è sottoporre il materiale a un gas e poi applicare una corrente elettrica. Il grafene, assorbendo le molecole di gas, subirà un cambiamento nelle sue proprietà elettroniche, come quelle di trasporto elettrico. La misura della variazione della corrente è legata alla composizione del gas.
È anche possibile coniugare al grafene specifici gruppi funzionali, come gli anticorpi: in questo caso i sensori serviranno a individuare la presenza di particolari antigeni nell’ambiente circostante.
Questa combinazione grafene-sensori mostra però due principali problemi: innanzitutto il meccanismo di sensing non è ben definito e non è chiaro come cambino le proprietà di trasporto in base alle molecole assorbite sulla superficie. Inoltre, il grafene è molto sensibile e ha una grande capacità di assorbimento ma, non essendo molto selettivo, è difficile associare le variazioni di proprietà a specifici processi.
All’origine c’è il fatto che questi problemi dipendono dai dettagli del sensore, che spesso non sono controllabili in uno strato di grafene di dimensioni macroscopiche. La mia ricerca studia sensori di grafene su scala nanoscopica per capire se possono avere dei vantaggi rispetto a quelli di scala più grande: si parla di nano-nastri di grafene (o Graphene NanoRibbons, GNR).
Quali sono le proprietà dei nano-nastri di grafene?
Innanzitutto manifestano nuovi fenomeni rispetto al mono-strato di grafene come il confinamento quantistico degli elettroni. L’effetto risultante è che il grafene da semimetallo diventa semiconduttore, con un gap di energia proibita necessario alle applicazioni di nanoelettronica.
Un altro interessante aspetto, sempre di natura meccanico-quantistica, è quello legato all’interferenza quantistica. All’interno dei GNR, infatti, gli elettroni si comportano come onde che possono interferire tra loro anche in maniera distruttiva e quindi, a determinate energie, sopprimere completamente la trasmissione di corrente.
L’energia di questa antirisonanza, cioè della soppressione del segnale, cambia se il grafene è modificato, quindi se ci sono molecole assorbite sulla superficie, e lo fa in modo diverso a seconda del tipo di molecola presente.
Questo effetto relativamente nuovo potrebbe portare ad avere sensori di grafene estremamente selettivi perché permetterebbe non solo di individuare se c’è stato un assorbimento ma anche di identificare la molecola.
Infine stiamo studiando le proprietà magnetiche dei nano-nastri. Gli elettroni hanno una proprietà intrinseca, lo spin, che si comporta come un momento magnetico e può assumere due polarizzazioni, indicate da su e giù. Dal punto di vista teorico, sui bordi dei GNR gli elettroni sono soggetti a ordinarsi in maniera anti ferromagnetica (su-giù-su-giù).
Come si combinano interferenza quantistica e magnetismo?
Abbiamo scoperto che in un sistema di grafene con interferenza distruttiva e ordinato magneticamente, l’energia a cui si osserva l’antirisonanza è diversa per le due polarizzazioni di spin.
Se le proprietà di trasporto della corrente dipendono così fortemente dalla polarizzazione dello spin, allora è possibile creare una specie di filtro di spin, cioè selezionare gli stati di energia in cui la trasmissione in uno dei due canali di spin è soppressa semplicemente applicando un certo tipo di voltaggio. Si dice che la corrente risultante è spin polarizzata.
Questa proprietà può rappresentare un grosso vantaggio nella spintronica, l’analogo dell’elettronica in cui il grado di libertà non è solo la carica dell’elettrone ma anche lo spin. Con tutte le ripercussioni del caso sulle applicazioni tecnologiche come le memorie dei computer e l’elaborazione dei dati.
Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
L’interferenza quantistica può essere usata in molti modi. Per esempio, sto lavorando su sistemi di molecole organiche con all’interno un metallo di transizione e dotate di una particolare proprietà chiamata spin crossover. I metalli di transizione hanno proprietà magnetiche con uno stato di spin che può essere influenzato da stimoli esterni, come l’applicazione di uno sforzo o la luce o un campo elettrico. Ciò di fatto rende le molecole manipolabili.
La struttura di queste molecole, con anelli a base di carbonio, è molto simile a quella del grafene e, perciò, può possedere proprietà di interferenza quantistica. Sarebbe interessante capire come cambia l’interferenza quantistica in seguito a variazioni di struttura elettronica della molecola, per esempio del suo stato di spin. Se l’impatto delle variazioni è abbastanza grande, queste molecole potrebbero essere usate per creare circuiti logici e magari anche memorie.
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