Una ricerca dell’Università di Nottingham ha scoperto un nuovo modo di produzione del grafene che aggiunge difetti strutturali per migliorare le prestazioni del materiale, con possibili vantaggi in una vasta gamma di applicazioni, dai sensori alle batterie, fino all’elettronica.
Gli scienziati della Facoltà di Chimica dell’Università di Nottingham, dell’Università di Warwick e di Diamond Light Source hanno sviluppato un processo in un’unica fase per produrre pellicole simili al grafene utilizzando una molecola, l’azupyrene, la cui forma imita quella del difetto desiderato. La ricerca è stata pubblicata oggi su Chemical Science ed è stata pubblicata su Phys.org.
Come spiega David Duncan, Professore Associato presso l’Università di Nottingham e uno degli autori principali dello studio: “Il nostro studio esplora un nuovo modo per produrre il grafene. Questo materiale super sottile e super resistente è composto da atomi di carbonio e, sebbene il grafene perfetto sia notevole, a volte è troppo perfetto. Interagisce debolmente con altri materiali e non possiede le proprietà elettroniche cruciali richieste nell’industria dei semiconduttori. Di solito i difetti nei materiali sono visti come problemi o errori che ne riducono le prestazioni, noi li abbiamo utilizzati intenzionalmente per aggiungere funzionalità. Abbiamo scoperto che i difetti possono rendere il grafene più ‘adesivo’ ad altri materiali, rendendolo più utile come catalizzatore e migliorando la sua capacità di rilevare diversi gas per l’utilizzo nei sensori. I difetti possono anche alterare le proprietà elettroniche e magnetiche del grafene, per potenziali applicazioni nell’industria dei semiconduttori.”
Coltivare il grafene difettoso
Il grafene è costituito da una disposizione piatta di sei atomi di carbonio in un anello. Il difetto desiderato presenta anelli adiacenti composti da 5 e 7 atomi di carbonio. L’azupirene ha una forma (o topologia) che include naturalmente lo stesso tipo di anelli irregolari che vengono introdotti nel grafene. L’azupirene è stato utilizzato per coltivare il grafene e creare pellicole con un’elevata percentuale di questo specifico tipo di difetto e, modificando la temperatura durante la crescita, è stato possibile controllare la quantità di difetti nel materiale finale.
I ricercatori del Graphene Institute di Manchester hanno inoltre dimostrato con successo che il grafene può essere trasferito su diverse superfici mantenendo i difetti, un traguardo tecnologico fondamentale per l’applicazione di queste pellicole a dispositivi reali.
Questo lavoro ha utilizzato un’ampia gamma di strumenti avanzati, riunendo una collaborazione tra Regno Unito, Germania e Svezia utilizzando microscopia e spettroscopia avanzate presso il Diamond Light Source nell’Oxfordshire e il MAX IV in Svezia, oltre al supercomputer nazionale britannico ARCHER2, consentendo ai ricercatori di studiare la struttura atomica del grafene difettoso, dimostrando la presenza dei difetti e il modo in cui questi influenzano le proprietà chimiche ed elettroniche del grafene difettoso.
Reinhard Maurer, docente del Dipartimento di Chimica dell’Università di Warwick, afferma: “Scegliendo attentamente la molecola di partenza e le condizioni di crescita, abbiamo dimostrato che è possibile coltivare grafene in cui le imperfezioni possono essere introdotte in modo più controllato. Caratterizziamo le firme di queste imperfezioni combinando imaging su scala atomica, spettroscopia e simulazione computazionale”. Gli fa eco Tien-Lin Lee di Diamond Light Source: “Questo studio è una testimonianza di ciò che si può ottenere attraverso la collaborazione internazionale e l’integrazione di diverse competenze scientifiche. Combinando microscopia avanzata, spettroscopia e modellazione computazionale tra istituti nel Regno Unito, Germania e Svezia, siamo stati in grado di scoprire i meccanismi su scala atomica alla base della formazione di difetti nel grafene, un risultato che nessuna tecnica o team avrebbe potuto ottenere da solo”.
