carbonio bifenilene

Carbonio, il nuovo grafene? Quali vantaggi

Una ricerca nordeuropea ha dimostrato che è possibile creare reti di carbonio diverse da quelle del grafene: si tratta delle reti di bifenilene, che si comportano come un metallo
Carbonio, il nuovo grafene? Quali vantaggi FASTWEB S.p.A.

Da anni gli scienziati ci parlano delle promettenti proprietà del grafene, un materiale formato da atomi di carbonio disposti in una griglia esagonale e dallo spessore di un solo atomo. Il grafene sembra infatti il materiale del futuro sia per la produzione di dispositivi elettronici che di batterie, grazie ad una sua caratteristica: è un semiconduttore di energia elettrica, cosa che lo rende un possibile sostituto del silicio.

Ma dal carbonio puro si possono in teoria ottenere anche altri materiali, “fogli” spessi sempre un atomo ma con una disposizione degli atomi diversa da quella del grafene. Materiali che hanno caratteristiche elettriche diverse e che, quindi, aprono a nuovi scenari aggiuntivi a quelli attualmente ipotizzati o già quasi in atto per il grafene.

Un team di ricerca formato da scienziati dell'Università di Marburgo, in Germania, e dell'Università di Aalto, in Finlandia, hanno dimostrato che è possibile realizzare praticamente una di queste nuove reti di carbonio: si tratta della rete di bifenilene, che non si comporta come un semiconduttore, ovvero un materiale in grado di trasformarsi da isolante a conduttore elettrico al variare delle condizioni esterne (ad es. della temperatura o del potenziale elettrico applicato), bensì proprio come un metallo, e quindi un ottimo conduttore a prescindere dalle condizioni esterne.

Bifenilene, perché è diverso dal grafene

carbonio bifenileneIl grafene è una delle tante possibili forme che possono prendere gli atomi di carbonio, insieme alla grafite (che compone l’anima delle nostre matite) e al diamante (che è tra i materiali più duri al mondo). La sua caratteristica principale è quella di essere un materiale bidimensionale: si presenta come un foglio sottilissimo, dallo spessore di un solo atomo. Tale foglio è formato da una rete di atomi di carbonio disposti ad esagono, in perfetto ordine e quindi in una conformazione detta a nido d'ape. La sua struttura chimico-fisica gli dona una incredibile resistenza, una grande flessibilità e, naturalmente, una gran leggerezza dovuta allo spessore letteralmente minimo.

In più, ed è questa la caratteristica più ricercata dall'industria dell'elettronica, dal punto di vista elettrico il grafene si comporta come un semiconduttore a tutti gli effetti.

Nel 2004 i fisici Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell'Università di Manchester hanno vinto il Premio Nobel per essere riusciti a realizzare il primo transistor al grafene. Tuttavia, il grafene non è l'unica possibile forma che può assumere uno strato monoatomico di carbonio: gli scienziati ne hanno ipotizzate molte, senza però riuscire a trovare il modo per realizzarle in laboratorio. Ci sono riusciti i ricercatori tedeschi e finlandesi che hanno prodotto una rete di bifenilene (che non va confuso con l'omonimo idrocarburo, formato da carbonio e idrogeno), con gli atomi che formano non solo esagoni, ma anche quadrati e ottagoni con un particolare ordine.

La differenza principale tra il grafene e il bifenilene è che il secondo, quando è disposto in una rete di almeno 21 atomi, si comporta come un metallo mentre il primo sempre come un semiconduttore. Ciò vuol dire che è possibile usare un singolo elemento chimico, il carbonio disposto in reti differenti, sia per i transistor che per i collegamenti elettrici.

Reti di bifenilene, come verranno usate

carbonio bifenileneLa ricerca nordeuropea dimostra che è effettivamente possibile realizzare nuovi tipi di configurazioni di carbonio, diverse da quelle esagonali tipiche del grafene. Il risultato è stato ottenuto assemblando molecole contenenti carbonio su una superficie d’oro estremamente liscia. Queste molecole in prima battuta hanno formano delle catene di esagoni collegati. Poi queste catene si sono unite insieme per formare i quadrati e gli ottagoni. Questo secondo passaggio è dovuto al fatto che le catene formatesi inizialmente erano "chirali", cioè non identiche ma speculari (come due mani della stessa persona).

Dalla prima reazione, quindi, sono state ottenute due varianti di catena e ognuna di essa era in grado di connettersi solo ad un'altra catena identica, ma non con la sua speculare.

Ciò ha portato alla nuova struttura, fatta di esagoni, ottagoni e quadrati. "La nuova idea è quella di utilizzare precursori molecolari ottimizzati per produrre bifenilene invece del grafene", spiega Linghao Yan, che ha condotto gli esperimenti di microscopia ad alta risoluzione sul nuovo materiale presso l'Università di Aalto.

I possibili sviluppi di questa scoperta sono molteplici, ma nessuno è già alle porte: "Siamo convinti che questo nuovo metodo di sintetizzare il carbonio porterà alla scoperta di nuovi tipi di reti di carbonio", ha commentato il professor Peter Liljeroth che ha guidato il team di ricercatori dell'Università di Aalto. Siamo ancora agli inizi, insomma.

Gli obiettivi industriali, però, sono già abbastanza chiari: "Le strisce di bifenilene potrebbero essere usate in futuri dispositivi elettronici basati sul carbonio - ha spiegato il professor Qitang Fan dell'Università di Marburgo - Questa nuova rete di carbonio potrebbe anche essere usato come materiale per l'anodo nelle batterie a ioni di litio, con una maggior capacità di accumulo di litio rispetto agli attuali materiali basati sul grafene".

Ma se questi sono gli obiettivi, per raggiungerli si dovranno fare diversi passi intermedi. Al momento gli scienziati stanno lavorando per creare fogli di questo nuovo materiale di grandi dimensioni, che verranno usati per fare ulteriore ricerca sulle caratteristiche chimico-fisiche delle reti di bifenilene.

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