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Grafene, premio Nobel per la Fisica a cura di: Stridi Nicola che non potrà mai essere un Nobel & De Luca Donato potenziale Nobel per la FISICA a cura di:

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1 Grafene, premio Nobel per la Fisica a cura di: Stridi Nicola che non potrà mai essere un Nobel & De Luca Donato potenziale Nobel per la FISICA a cura di: Stridi Nicola che non potrà mai essere un Nobel & De Luca Donato potenziale Nobel per la FISICA

2 CORREVA L'ANNO 2004 QUANDO ANDRE GEIM E CONSTANTIN NOVOSELOV, SCIENZIATI RUSSI TRAPIANTATI NEL REGNO UNITO, ANNUNCIARONO AL MONDO LA SCOPERTA DEL GRAFENE, COMPOSTO MONOMOLECOLARE A BASE DI CARBONIO DALLO SPESSORE DI UN SINGOLO ATOMO. DA ALLORA IL MATERIALE NON HA CESSATO DI ENTUSIASMARE I RICERCATORI E OGGI, DOPO SEI ANNI, GEIM E NOVOSELOV VENGONO INSIGNITI DEL PREMIO NOBEL PER LA FISICA PER I LORO "ESPERIMENTI RIVOLUZIONARI" SUL NUOVO MATERIALE "BIDIMENSIONALE". I RICERCATORI SPERANO MOLTO NEL GRAFENE, DICE GEIM, CON GLI OTTIMISTI IMPEGNATI A FOTOGRAFARE IL PASSAGGIO ALL'ERA DEL CARBONIO DOPO QUELLA DEL SILICIO E I PESSIMISTI CONVINTI CHE L'IMPATTO DEL NUOVO MATERIALE SARÀ GIUSTO UN PO' MENO DRASTICO DI QUELLO CHE MOLTI SOSTENGONO. INTANTO LE PREVISIONI STABILISCONO PER IL 2024 IL PASSAGGIO DI CONSEGNE DEFINITIVO TRA SILICIO E GRAFENE. I l Nobel di quest'anno va ai due scienziati di origine russa che per primi hanno isolato il "materiale delle meraviglie, il grafene. Una scoperta che secondo gli ottimisti cambierà per sempre i computer e la tecnologia.

3 Il sole 24ore: Grafene, il foglio magico Quasi per gioco, sei anni fa, due ricercatori russi, Kostya Novoselov (36 anni) e Andre Geim (51 anni), usando un normale nastro adesivo e un blocco di grafite (la stessa che sta al centro delle matite, carbonio puro), riuscirono a isolare il foglio più sottile del mondo: spesso quanto un solo atomo (di carbonio, naturalmente). Così impalpabile ed essenziale che viene considerato un materiale bidimensionale. Si chiama grafene. Nessuno c'era riuscito prima. Non solo: molti credevano impossibile che un materiale così cristallino e sottile potesse essere stabile a temperatura ambiente. Il "gioco" dei due amici è stato premiato con il Nobel per la fisica, un record per una ricerca così recente (pubblicata su «Science» nell'ottobre 2004) e per l'età di Novoselov: è il più giovane ricercatore ad avere preso il riconoscimento per la fisica dal Meno facile, una volta "incollato" il sottilissimo strato di carbonio allo scotch, è stato capire che veramente si trattava di un unico strato di carbonio. Ma i due, oggi professori dell'università di Manchester, ci sono riusciti, lo hanno caratterizzato elettricamente mostrando che aveva le proprietà previste a tavolino. Oltre a essere una miniera di informazioni per la ricerca di base (ha eccezionali proprietà quantistiche), il grafene ha anche moltissime applicazioni pratiche: è il più forte materiale mai creato, 100 volte più dell'acciaio. Se si facesse un'amaca di un metro quadrato (fino a oggi sono riusciti a produrre fogli di 70 cm), sarebbe spessa quanto un atomo ma potrebbe reggere un gatto. Come conduttore di elettricità funziona bene come il rame, e come conduttore di calore è eccezionale: il migliore. Inoltre è quasi trasparente, ma è così denso che nemmeno l'elio, il più piccolo gas atomico, può attraversarlo.

4 CHIMICA DEL GRAFENE Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio. Come suggerisce la desinenza -ene del nome, gli atomi sono ibridati nella forma sp 2, e si dispongono quindi a formare esagoni con angoli di 120°.sp 2 Il grafene viene ottenuto in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite vengono trattati con una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico, e successivamente ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene con gruppi carbossilici ai bordi. Mediante trattamento con SOCl 2 si ottiene un cerchio di grafene solubile in particolari ambienti. Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture di tipo pentagonale o ettagonale costituiscono infatti dei difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha la formazione di un fullerene. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella. Quindi l'inserimento controllato di tali celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubuli di carbonio a singola parete possono essere considerati come dei cilindri di grafene; talvolta alle estremità di questi nanotubi si possono trovare delle strutture emisferiche, costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo". La definizione ufficiale del grafene data dalla IUPAC è la seguente: Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può essere considerato come l'elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all'interno dei composti della grafite. Il termine "strato di grafene" viene comunemente utilizzato all'interno della terminologia del carbonio.

5 FISICA DEL GRAFENE Il grafene è un foglio di carbonio spesso un solo atomo che si trova impilato, con altri strati, nella grafite, il materiale delle comuni mine delle matite. A temperatura ambiente il cristallo puro conduce elettricità più velocemente di qualunque altra sostanza. Gli ingegneri si prefigurano un'ampia gamma di nuovi prodotti in grafene, come transistor ad alta velocità. I fisici lo studiano perché permette di verificare fenomeni bizzarri in precedenza osservabili solo nei buchi neri e negli acceleratori di particelle. Usando un strato ultrasottile di grafene, alcuni ricercatori hanno scoperto un modo semplice ed economico per mettere alla prova le teorie di Einstein. Alcuni scienziati dellUniversità di Manchester hanno scoperto un nuovo modo di mettere alla prova la teoria della relatività di Einstein utilizzando soltanto la punta di una matita. Finora era possibile dimostrare la teoria solo costruendo macchinari costosissimi oppure studiando stelle di galassie distanti. Ma un gruppo di ricercatori britannici, russi e olandesi ha scoperto che è possibile farlo in laboratorio grazie a uno strato ultrasottile di grafite, chiamato "grafene". Gli scienziati, guidati dal fisico Andre Geim, hanno estratto fogli singoli di grafite con lo spessore di un solo atomo. "In passato, - spiega Geim - per studiare le implicazioni della teoria della relatività, i ricercatori hanno spesso dovuto costruire apparati molto complicati, ma il nostro lavoro dimostra che è possibile effettuare esperimenti diretti per mettere alla prova i concetti relativistici. Sviluppando test con il grafene ed equipaggiamenti relativamente economici, sarà possibile accelerare molte scoperte e risparmiare milioni di euro". In un articolo gli scienziati scrivono che le cariche elettriche nella grafene sembrano comportarsi come particelle relativistiche prive di massa a riposo. Le nuove particelle - fermioni di Dirac con massa nulla - sono descritte dalla teoria della relatività di Einstein (la cosiddetta equazione di Dirac). Gli autori riferiscono anche di numerosi nuovi effetti relativistici. Hanno dimostrato, per esempio, che i campi magnetici agiscono sui fermioni senza massa in modo da donargli la massa dinamica descritta dalla famosa equazione E=mc 2. Si tratta di un fenomeno simile a quello dei fotoni (le particelle di luce), particelle a loro volta prive di massa ma che possono comunque percepire l'attrazione gravitazionale del Sole a causa della loro massa dinamica.

6 Anno 2024: l'era del grafene ha inizio: Per gli esperti il destino del silicio come base dell'elettronica è segnato. Al suo posto un materiale più efficiente, con promettenti sviluppi già in cantiere Il silicio rimarrà il componente fondamentale dell'elettronica fino al 2024, data in cui dovrà farsi da parte per lasciare spazio al più performante grafene. A dichiararlo è James Meindl, professore del Georgia Institute of Technology, che nel corso del keynote introduttivo alla International Solid State Circuit Conference (ISSCC) attualmente in corso a San Francisco ha fatto il punto sulla situazione dei materiali utilizzati nel settore. Le prestazioni dei microchip in silicio miglioreranno ancora, ma il limite strutturale è dietro l'angolo: dunque lo switch si renderà necessario prima o poi e sarà il grafene, materiale allo studio già da diversi anni, a ricevere il testimone per far sì che in futuro si possa parlare di velocità di clock in terahertz. Recentemente alcuni ricercatori giapponesi avevano trovato una soluzione per fondere silicio e grafene in un unico elemento in grado di garantire prestazioni e affidabilità inimmaginabili allo stato attuale. Tali teorie erano state confermate dagli scienziati del MIT, secondo i quali l'era del grafene sarebbe appena iniziata. Attualmente i primi prototipi di chip al grafene sono in grado di raggiungere senza problemi i 100 GHz, mentre quelli in silicio, se spinti al massimo, arrivano a malapena a 60 GHz. Proprio a fronte di questa disparità arriva dunque la previsione di Meindl: "Per almeno altri 15 si continuerà a lavorare sul silicio - ha spiegato alla platea della ISSCC - ma nel frattempo si stanno ponendo le basi del futuro concentrandosi anche sul grafene, da cui potrebbe scaturire un rivoluzionario sviluppo della nanotecnologia". Qualche settimana fa un gruppo di ricercatori della University of California, Los Angeles ha annunciato di aver trovato un metodo che consente di superare alcune delle più pressanti difficoltà per la realizzazione di transistor in grafene ad elevata velocità. Il grafene, di fatto un foglio di carbonio dello spessore di appena un atomo, è uno dei materiali più promettenti, grazie alla sua elevata mobilità elettronica, per la realizzazione di dispositivi di radiocomunicazione e computer ad alta velocità e con elevato grado di miniaturizzazione. Sono tuttavia proprio le sue proprietà uniche che, nel corso della lavorazione, possono portare ad alcuni problemi, in maniera particolare nel caso in cui si possano presentare difetti o disomogeneità di lavorazione, che causerebbero un considerevole decadimento delle prestazioni del dispositivo costruito in grafene. Grazie all'intuizione di impiegare un nanocavo in funzione di gate self-aligned, il team della UCLA, guidato dal professore di chimica e biochicmica Xiangfeng Duan, ha potuto mettere a punto un nuovo processo per la fabbricazione di transistor in grafene. I gate self-aligned sono un elemento chiave dei transistor moderni, sviluppati per affrontare i problemi di disallineamento incontrati via via con la sempre crescente miniaturizzazione della circuiteria dei processori. Duan ha commentato: "Questa nuova strategia supera due limitazioni precedentemente incontrate nei transistor in grafene. Prima di tutto non produce alcun difetto apprezzabile nel grafene durante la fabbricazione, così che sia mantenutà la più alta mobilità elettronica possibile. In secondo luogo, utilizzando un approccio self-aligned con un nanocavo come gate, il gruppo è stato capace di superare le difficoltà di allineamento precedentemente incontrate e fabbricare così un dispositivo con canale molto corto e con prestazioni senza precedenti". Questi passi avanti hanno permesso al team di realizzare il più veloce transistor in grafene mai costruito sino ad ora, con una frequenza di cut-off di 300GHz, comparabile ai migliori transistor realizzati con l'impiego di materiali ad elevata mobilità elettronica come l'arseniuro di gallio o il fosfuro di indio. Anche IBM è impegnata nello sviluppo di transistor in grafene: ricordiamo che qualche mese fa i ricercatori dei laboratori di BigBlue hanno dato dimostrazione di un transistor in grafene con frequnza di cut-off di 100GHz, oltre a dimostrare l'operatività dei transistor field-effect realizzati in grafene a frequenze nell'ordine di grandezza dei GHz. Il gruppo di ricercatori dell'UCLA ha già dichiarato di essere al lavoro per poter ridurre ulteriormente le dimensioni del transistor e per provare a raggiungere frequenze ancor maggiori. E NON FINISCE QUI! SONO TANTISSIMI GLI ALTRI IMPIEGHI IN SCIENZA TEORICA E APPLICATA DEL FOGLIO DELLE MERAVIGLIE…


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