Materiali carbon-based e 2D

I ricercatori del progetto Graphene Flagship hanno mostrato per la prima volta una rivoluzionaria proprietà del grafene: la capacità di generare luce alla terza armonica ottica con efficienza controllabile elettricamente. Questa scoperta sarà alla base dello sviluppo di dispositivi ottici miniaturizzati che sfruttino frequenze ottiche precedentemente inutilizzate per trasmettere su banda larga una impressionante quantità di dati in modo estremamente veloce.
La ricerca, condotta dal Politecnico di Milano in collaborazione con l’University of Cambridge e l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) è stata pubblicata su Nature Nanotechnology nell’articolo Broadband, electrically tunable third-harmonic generation in graphene.

Il grafene è un materiale che mostra proprietà straordinarie in ogni campo di applicazione: questo studio ha dimostrato la capacità del grafene di accendersi a comando, generando luce di nuovi colori con una efficienza controllata elettricamente. Il risultato dello studio potrebbe portare a nuovi dispositivi per le comunicazioni ottiche che lavorano su un amplissimo intervallo di frequenze, consentendo l’elaborazione e la trasmissione di una grandissima quantità di informazione.

La generazione di armoniche ottiche è un processo ottico nonlineare che crea nuovi colori quando luce laser di elevata intensità interagisce con un materiale. In particolare, la generazione di terza armonica produce luce la cui frequenza è il triplo di quella della luce incidente, quindi a partire dalla luce infrarossa invisibile può produrre una intensa luce visibile. Il grafene, nonostante sia il materiale più sottile esistente perché ha lo spessore di un solo strato di atomi, ha una risposta ottica nonlineare sorprendentemente elevata. I partner del progetto Graphene Flagship hanno dimostrato per la prima volta che il processo di generazione di terza armonica in grafene può essere controllato in maniera molto efficace mediante l’applicazione di un campo elettrico esterno. In altre parole, la luce di colore visibile generata dal grafene può essere accesa o spenta in modo molto semplice tramite una tensione applicata al materiale. Proprietà questa unica del grafene. I processi ottici nonlineari trovano numerose applicazioni pratiche nelle tecnologie laser, nella lavorazione dei materiali e nelle telecomunicazioni. Infine, il processo di generazione di armoniche renderà possibile la produzione di luce di nuovi colori da utilizzare in spettroscopia, consentendo ai ricercatori di acquisire una nuova comprensione della materia.

Il Graphene Flagship è stato lanciato dall’Unione Europea nel 2013 come la più grande iniziativa di ricerca di sempre. Con un budget di 1 miliardo di euro rappresenta una nuova forma di iniziativa congiunta e coordinata di ricerca su una scala senza precedenti. L’obiettivo generale del Graphene Flagship è quello di portare, nell’arco di un decennio, il grafene e i materiali bidimensionali dai laboratori accademici ad avere un impatto sull’industria e la società europea, facilitando la crescita economica e creando nuovi posti di lavoro. Attraverso un consorzio accademico-industriale composto da oltre 150 partner di oltre 20 paesi europei, lo sforzo di ricerca copre l’intera catena del valore, dalla produzione di materiali ai componenti e all’integrazione di sistemi, e si rivolge a una serie di obiettivi specifici che sfruttano le proprietà uniche del grafene e dei materiali bidimensionali.

Testo redatto su fonte Politecnico di Milano del 21 maggio 2018
Per approfondimenti: Broadband, electrically tunable third-harmonic generation in graphene, DOI: 10.1038/s41565-018-0145-8 – Nature Nanotechnology | 21.05.2018
Progetto Graphene Flagship: graphene-flagship.eu
Image credit: Giancarlo Soavi, University of Cambridge

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Tra i vari metodi di sintesi del grafene, la deidrogenizzazione di molecole poliaromatiche, che hanno come capostipite il benzene, rappresenta oggi uno di quelli più efficaci per migliorarne la qualità cristallina riducendo i costi di produzione. Con questo metodo si ottiene la produzione bottom-up di strati di grafene dalle dimensioni nanometriche, in particolare di nastri (grafene nanoribbons) che grazie alle ridotte dimensioni e alla geometria atomiche dei bordi si comportano come dei semiconduttori, una proprietà che li rende ottimi candidati per l’applicazione nell’elettronica di prossima generazione. La deidrogenizzazione è un processo flessibile e versatile per via dell’ampia scelta di possibili molecole precursori. Tuttavia, per molecole complesse composte da decine di atomi, il meccanismo di dissociazione che porta alla rottura del legame carbonio-idrogeno non era ancora del tutto chiaro a livello atomico.

Ora però, una ricerca condotta da un team internazionale ha affrontato lo studio della deidrogenizzazione del coronene, un molecola formata da 24 atomi di carbonio alla quale sono legati in periferia 12 atomi di idrogeno. La molecola, depositata sulla superficie di un metallo di transizione che agisce come catalizzatore, subisce nel corso del processo di deidrogenizzazione dei profondi cambiamenti strutturali: inizialmente piatta, in corrispondenza della rottura del secondo legame con gli atomi di idrogeno si alza ad una estremità inclinandosi, per poi ruotare ed accartocciarsi su se stessa a produrre nella sua configurazione finale una nanocupola di carbonio, con gli atomi arrangiati a formare un reticolo a nido d’ape come nel grafene.

Pubblicato sul “Journal of the American Chemical Society” nell’articolo “Molecular Lifting, Twisting, and Curling during Metal-Assisted Polycyclic Hydrocarbon Dehydrogenation“, lo studio ha coinvolto ricercatori dell’Università di Trieste, delle linee di luce SuperESCA e BaDElPh dell’Elettra-Sincrotrone Trieste, dell’International Centre for Theoretical Physics (ICTP) di Trieste, dello IOM-CNR, della University College London e del National Centre for Physics di Islamabad (Pakistan).
La scoperta di questo nuovo meccanismo potrebbe essere sfruttata per la realizzazione di nuove nanostrutture per future applicazioni nei dispositivi tecnologici di nuova generazione, come ad esempio la possibilità di catturare e incapsulare atomi magnetici sotto le nanocupole di carbonio per applicazioni nel campo delle memorie magnetiche o della sensoristica, ovvero come “serbatoi” per molecole leggere per consentirne un rilascio controllato.

Testo redatto su fonte Università di Trieste del 22 marzo 2016
Per approfondimenti: Molecular Lifting, Twisting, and Curling during Metal-Assisted Polycyclic Hydrocarbon Dehydrogenation – Journal of the American Chemical Society | 01.02.2016
Image credit: Journal of the American Chemical Society (2016)/ACS Publications

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Graphene Flagship è il progetto europeo, finanziato dalla Commissione Europea e Stati membri con un investimento totale di circa 1 miliardo di euro, dedicato allo sviluppo del grafene e di altri materiali bidimensionali. L’attuale consorzio consta di 142 membri, distribuiti in 23 nazioni, e di un numero crescente di Istituzioni associate, che lavorano congiuntamente per indirizzare le problematiche scientifiche e tecnologiche dei materiali bidimensionali, per mezzo di uno sforzo coordinato di ricerca e sviluppo multidisciplinare.

Graphene Flagship ha pubblicato sulla rivista Nanoscale il piano d’azione per portare le scoperte e le invenzioni sul grafene nel mercato nei prossimi dieci anni, mostrando scenari di sviluppo e d’innovazione importanti in settori strategici come la manifattura, l’elettronica, le telecomunicazioni, l’energia e il mondo biomedicale e della salute. Alla stesura del documento hanno partecipato più di sessanta scienziati, sia del mondo della ricerca pubblica che quella industriale. L’Italia è tra i primi paesi coinvolti nell’iniziativa con la presenza di 23 istituti e aziende partner coinvolti (su un totale di 142), rappresentati in Europa dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e dall’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Il documento “Roadmap” ha l‘obiettivo di delineare le linee guida per lo sviluppo della ricerca e del trasferimento tecnologico del grafene, e di altri materiali sottili, almeno per i prossimi dieci anni. Il documento illustra la realizzazione di nuovi materiali basati sul grafene o altri materiali sottili (bi-dimensionali) attraverso processi riproducibili su scala industriale e sicuri per la salute delle persone e dell’ambiente, e la loro applicazione in nuovi dispositivi tecnologici. In particolare, sono otto le aree di applicazione (supportate dai programmi di scienza di base e salute e ambiente) identificate come di interesse per lo sviluppo dell’economia Europea, e per cui è stato tracciato un piano di immissione nel mercato, dallo studio in laboratorio alla realizzazione del prototipo: produzione, elettronica analogica e digitale, elettronica flessibile, fotonica ed optoelettronica, sensori, conversione e immagazzinamento di energia, materiali compositi e dispositivi biomedici.

Nei prossimi 3 e 5 anni i primi prototipi industriali saranno nel campo dei materiali compositi, biosensori, optoelettronica ed energia, quali celle solari, batterie e supercondensatori. I dispositivi per applicazioni mediche e nell’elettronica per l’immagazzinamento di dati richiederanno invece un arco temporale di una decina d’anni per il loro sviluppo.
Grazie alla roadmap, il futuro del grafene ha uno scenario di prodotti abbastanza chiaro: dispositivi elettronici completamente flessibili, dagli schermi alle batterie, le quali aumenteranno in efficienza, diminuendo in impatto ambientale; le sviluppo di memorie RAM ad alta prestazione e capacità; nuovi materiali compositi con migliori proprietà termiche e meccaniche, quali flessibilità, robustezza e leggerezza. L’elettronica, per esempio, non sarà solo più leggera e tascabile, ma anche più “fredda”, cioè senza bisogno di ventole di raffreddamento perché il materiale disperde meglio il calore. I nuovi materiali potranno, inoltre, essere utilizzati per protesi biomediche a basso rigetto: dall’impianto osseo a quello cerebrale. Altri dispositivi potranno essere utilizzati nelle telecomunicazioni per trasmettere maggiore informazione in minore tempo.

Testo redatto su fonte CNR del 2 marzo 2015
Per approfondimenti sul progetto Graphene Flagship: graphene-flagship.eu
Image credit: Vincenzo Palermo/CNR-ISOF, 2015

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Grazie a una collaborazione tra le Università di Sassari e di Cagliari nell’ambito delle nanotecnologie, è stato sviluppato un nuovo tipo di nanomateriale “high-tech”che promette di rivoluzionare la vita quotidiana. Il raggiungimento di questo risultato apre nuove prospettive nell’ambito delle applicazioni del grafene, un nanomateriale la cui scoperta è stata recentemente premiata con il Nobel. Il grafene, ottenuto con una tecnica innovativa di “esfoliazione chimica”, è stato aggiunto ad un sottilissimo strato di ossido di titanio nano-poroso per ottenere una pellicola con una elevatissima attività fotocatalitica, la più alta registrata fino ad ora in un film sottile e trasparente. Questa proprietà consente ai vetri domestici di “autopulirsi” usando la luce del sole per eliminare lo sporco depositato sulle loro superfici ed evitando così la manutenzione legata alla loro pulizia.

La scoperta, pubblicata sulla rivista internazionale “ACS Applied Materials & Interfaces” in “Exfoliated Graphene into Highly Ordered Mesoporous Titania Films: Highly Performing Nanocomposites from Integrated Processing“, è stata considerata di particolare rilevanza e quindi premiata con la copertina della rivista. La ricerca è stata diretta dal Dott. Luca Malfatti e dal Prof. Plinio Innocenzi, afferenti al Laboratorio di Scienza dei Materiali e Nanotecnologie (Laboratorio LMNT) del Dipartimento di Architettura, Design e Urbanistica dell’Università di Sassari, in collaborazione con il gruppo del Prof. Alberto Mariani del Dipartimento di Chimica e Farmacia dell’Ateneo turritano, e con il gruppo della Dott.ssa Maria Casula del Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche dell’Università di Cagliari. Alla scoperta hanno contribuito anche prestigiose collaborazioni nazionali ed internazionali in particolare l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), l’Università Tecnica di Graz e la divisione di Scienza ed Ingegneria dei Materiali dell’australiano “Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation” (CSIRO).

Testo redatto su fonte Università di Sassari del 21 febbraio 2014
Per approfondimenti: Exfoliated graphene into highly ordered mesoporous titania films: highly performing nanocomposites from integrated processing – ACS Applied Materials & Interfaces | 20.11.2013
Image credit: ACS Applied Materials & Interfaces (2013) DOI: 10.1021/am4027407

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Il grafene si conferma “materiale delle meraviglie”. Un team di ricercatori dell’Istituto nanoscienze (Nano-CNR) e dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR) del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR) ha osservato per la prima volta un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per aumentare l’efficienza di dispositivi fotovoltaici come le celle solari: il grafene, sottoposto a impulsi luminosi estremamente brevi, innesca un processo di moltiplicazione a cascata degli elettroni. Il risultato, in collaborazione con Politecnico di Milano, Scuola Normale Superiore (SNS) e Università di Cambridge e Manchester, è pubblicato su Nature Communications in “Ultrafast collinear scattering and carrier multiplication in graphene“.
“Studiare il comportamento degli elettroni nel reticolo bidimensionale di questo materiale, che è costituito da un foglio monoatomico di atomi di carbonio, è la chiave per capirne e sfruttarne al meglio le eccezionali proprietà: conduzione di elettricità e calore migliore del rame, leggerezza e resistenza maggiori dell’acciaio”, spiega Marco Polini di Nano-CNR di Pisa.

“Un aspetto ancora poco noto, per esempio, è cosa accade agli elettroni dopo che un lampo intenso e ultra-breve di luce li ha fortemente perturbati: abbiamo pertanto indagato le primissime fasi successive alla foto-eccitazione, quando gli elettroni, riscaldati dalla luce a temperature di migliaia di gradi, si raffreddano in un tempo brevissimo”.
I ricercatori hanno dimostrato che in questo caso i fotoni incidenti innescano un processo di ‘moltiplicazione a cascata’ degli elettroni. “Un fenomeno noto come ‘carrier multiplication’, grazie al quale, per ciascun fotone assorbito dal grafene, più elettroni si mettono in moto e incrementano la corrente elettrica”, continua Polini. “La possibilità di innescare questo fenomeno potrebbe migliorare le prestazioni delle tecnologie fotovoltaiche e dei dispositivi optoelettronici in termini di efficienza, robustezza, risparmio energetico”.
“La moltiplicazione di carica è estremamente difficile da rilevare poiché dura appena un centinaio di femtosecondi, meno di un milionesimo di milionesimo di secondo!”, spiega Giulio Cerullo di Ifn-CNR e Politecnico di Milano. “Per studiare effetti fisici su scale temporali così brevi servono impulsi luminosi altrettanto brevi, che siamo stati in grado di ottenere con tecniche di spettroscopia ultra-veloce capaci di ‘comprimere’ la luce. Il nostro esperimento rappresenta al momento l’evidenza sperimentale più chiara del fenomeno nel grafene”.
I gruppi di Nano-CNR, IFN-CNR, Politecnico di Milano, SNS, Cambridge e Manchester, autori dello studio, hanno un ruolo di primo piano nella Graphene Flagship, il progetto europeo premiato con un maxi-finanziamento di un miliardo di euro per i prossimi dieci anni, che ha ufficialmente preso il via il primo ottobre scorso e coinvolge oltre 70 partner scientifici e industriali, con lo scopo di portare il grafene dai laboratori di ricerca alle applicazioni, attraverso tecnologie in una vastissima gamma di settori.

Testo redatto su fonte CNR del 27 novembre 2013
Per approfondimenti: Ultrafast collinear scattering and carrier multiplication in graphene – Nature Communications | 17.06.2013
Image credit: Andrea Freccioni/Scuola Normale Superiore di Pisa

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II grafene, materiale per la cui scoperta i due fisici russi Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester hanno ottenuto il premio Nobel per la Fisica nel 2010, è composto da uno strato monoatomico (quindi spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri) di atomi di carbonio, in cui gli atomi si dispongono a formare esagoni regolari con angoli di 120°. Da allora il grafene ha dimostrato in laboratorio un potenziale talmente elevato da guadagnarsi l’appellativo di “materiale delle meraviglie”.

Lo si trova nella grafite, per esempio quella della punta delle comuni matite, in effetti composta da una moltitudine di strati di grafene. A causa dell’interazione debole tra i vari strati di grafene, e quindi del loro scorrimento relativo, la grafite non può essere considerata un materiale molto rigido e resistente, anzi è un ottimo lubrificante solido. Ma il singolo foglio di grafene ha caratteristiche meccaniche eccezionali: è il materiale più rigido (rigidezza cinque volte superiore a quella dell’acciaio) e più resistente (teoricamente, ovvero in assenza di difetti, 100 volte l’acciaio) pur avendo una densità relativamente bassa (tre volte inferiore a quella dell’acciaio).

Le sue caratteristiche strabilianti, non solo da un punto di vista meccanico, fanno del grafene il candidato ideale per molte applicazioni: si prevedono, tra l’altro, importantissimi sviluppi nell’ambito di nuovi materiali e in quello delle nanotecnologie (il termine nanotecnologie racchiude tutti i processi che coinvolgono la lavorazione di materiali “spessi” tra un nanometro, cioè un miliardesimo di metro, e 100 nanometri). Le applicazioni nanotecnologiche possibili del grafene sono moltissime e sempre in aumento, con in prima fila i mondi dell’informatica e dell’elettronica, dove il nanomateriale si candida come potenziale sostituto del silicio nella realizzazione di microprocessori, transistor e circuiti più piccoli, veloci e performanti, grazie al fatto di mantenere le sue proprietà anche a dimensioni molto ridotte, superando i limiti dimensionali del silicio. Arrotolando “fogli” di grafene è poi possibile ottenere delle strutture chiamate “nanotubi di carbonio” che a loro volta vantano ulteriori proprietà eccezionali.

Per gli straordinari sviluppi tecnologici che il grafene promette nel prossimo futuro, l’Unione Europea ha deciso di finanziare il progetto Graphene Flagship (che riunisce 126 gruppi di ricerca accademici e industriali provenienti da 17 nazioni europee), che prevede un miliardo di euro di investimento per i circa 100 centri di ricerca più attivi nel settore, tra cui la Fondazione Bruno Kessler della Provincia Autonoma di Trento, nel corso dei prossimi dieci anni, al fine di sviluppare scienza e nanotecnologia del grafene. L’UE ha scommesso sul materiale più sottile del mondo. Nel comunicato stampa si legge che l’ha fatto perché vuole portare il grafene “dai laboratori accademici alla società, rivoluzionare molte industrie e creare crescita economica e nuovi posti di lavoro in Europa.” (Redazione)

Per approfondimenti: www.graphene-flagship.eu

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