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Il Grafene, il nano-materiale che migliorerà la nostra vita

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Il Grafene, il nano-materiale che migliorerà la nostra vita
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Il Premio Nobel per la Fisica è stato quest’anno assegnato a due ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov, pionieri nelle ricerche sulla struttura del grafene. Il grafene è un nano-materiale costituito da un solo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape che rendono questo materiale infinitamente sottile. Il grafene è un foglio di carbonio al cui interno gli elettroni possono muoversi con estrema mobilità, spostandosi come particelle del tutto prive di massa. Il grafene è anche circa 200 volte più resistente dell’acciaio. I suoi campi di utilizzo sono ampissimi e potrebbe a breve rivoluzionare la nostra vita quotidiana. Dall’elettronica alla tecnologia, alla medicina, alla produzione di energia rinnovabile, alla costruzione di nuovi potenti e velocissimi computer.
Anche l’Italia ha contribuito e contribuisce a comprendere meglio le potenzialità applicative di questo rivoluzionario nano-materiale. La Scuola Normale Superiore di Pisa, ad esempio, è particolarmente attiva in queste pionieristiche attività di ricerca che

si sviluppano in un contesto di collaborazione internazionale.
La Scuola Normale Superiore di Pisa per chi non la conosce è un prestigioso centro di formazione e di ricerca, che si conferma anche con i risultati, ancora oggi, uno dei migliori a livello internazionale.
Fondata da Napoleone nel 1810 sull’esempio dell’École Normale Supérieure di Parigi, la Normale di Pisa è un centro di eccellenza formativa nella quale docenti, ricercatori e studenti svolgono attività didattiche e di laboratorio,  sviluppano eventi culturali e realizzano iniziative sperimentali.
La grande risorsa della Normale è la qualità dei suoi studenti. Selezionati sulla base del merito attraverso un apposito concorso, vivono in un sistema collegiale completamente gratuito e seguono un percorso di studi imperniato su una virtuosa e proficua condivisione di ricerche, esperienze, intuizioni, approfondimenti.

A Pisa il gruppo di ricercatori italiani del laboratorio NEST dell'Istituto di nanoscienze del Cnr e della Scuola Normale Superiore di Pisa collaborano nel progetto internazionale di ricerca sul grafene con i centri di Berkeley, Erlangen, Berlino, Austin, Cambridge, New York ecc.
Abbiamo contattato due di questi ricercatori: Vittorio Pellegrini, Dirigente di Ricerca del CNR e Marco Polini, Ricercatore CNR. Entrambi, come gli altri componenti del gruppo, hanno alle spalle un brillante curriculum accademico con un prestigioso

Dottorato conseguito con il massimo dei voti (70/70 cum laude) naturalmente presso la Scuola Normale Superiore di Pisa. Essi sono oggi impegnati nella ricerca  all’interno del Laboratorio NEST su progetti del National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology, tra cu

i appunto anche la ricerca sul grafene.
Vittorio Pellegrini e Marco Polini hanno risposto con grande disponibilità e pazienza alle nostre domande tese a capire quali ricerche stanno effettuando e come e quando il grafene entrerà nella nostra vita di tutti i giorni.

1)  Dr. Polini, qual’è oggi a grandi linee lo stato dell'arte degli studi sul grafene nel mondo e quali soggetti pubblici e privati sono coinvolti in queste ricerche e sperimentazioni in Italia?

“La comunità di studiosi che lavorano su questo materiale è estremamente ampia: cercherò quindi di enfatizzare soli gli studi che per mio gusto sembrano più interessanti. La qualità dei campioni di grafene è notevolmente migliorata sin dalla loro prima produzione mediante esfoliazione meccanica (“scotch-tape method”) nel 2004 ad opera di Andre Geim e Kostya Novoselov. Parte della comunità internazionale sta cercando effetti esotici in questo materiale legati al fatto che in esso gli elettroni si muovono come se avessero massa nulla ed interagiscono tra di loro con la ben nota forza di Coulomb. Una gran parte di studi sperimentali e teorici è ancora concentrata nel capire quali sono i principali meccanismi che limitano la mobilità di tali elettroni. Grande interesse è sicuramente riposto nello studio delle corrugazioni (“ripples”) che si trovano in questo materiale che da molti punti di vista si comporta come una membrana elastica, la più sottile esistente al mondo. Molta ricerca possiede infine natura applicata ed è orientata a sviluppare, ad esempio, una nuova generazione di transistor ultrasottili e veloci, dispositivi per applicazioni in fotonica ed opto-elettronica, e dispositivi per lo stoccaggio di idrogeno. In Italia sono coinvolti ormai parecchi gruppi universitari, del CNR, e dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) sparsi su tutta la penisola da Trieste a Catania appunto. A livello mondiale Nokia e Samsung sono sicuramente due esempi di multinazionali che stanno investendo moltissimo in questo nuovo materiale.”



2) Dr. Pellegrini, qual’é il ruolo che ha svolto, svolge ed intende svolgere in questo contesto il centro NEST dell’Istituto Nanoscienze del CNR e della Scuola Normale Superiore di Pisa ?

“Abbiamo fin da subito intuito le potenzialità del grafene e siamo stati tra i primi nel 2007 a spiegare perché il grafene è così straordinariamente visibile quando depositato sopra un substrato di silicio sebbene abbia lo spessore di un singolo atomo. Sin dal 2006, inoltre, al NEST ci siamo occupati di aspetti teorici legati alla comprensione del comportamento degli elettroni confinati nel grafene e, più recentemente, ci occupiamo di aspetti sperimentali legati ad applicazioni del grafene nei settori della sensoristica ed in quello energetico, quest’ultimo in collaborazione con l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).
Adesso il NEST è coinvolto in una rete mondiale di università e centri di ricerca attivi sul grafene e a livello Italiano è promotore assieme ad altri gruppi di un progetto nazionale del CNR sul grafene.”

3)  Dr. Polini, quali prime applicazioni pratiche che interesseranno la vita di gran parte della popolazione avrà secondo lei il grafene?

“Il grafene è davvero un materiale sorprendente ed è disponibile alla ricerca soltanto da pochi anni. È davvero difficile quindi fare delle previsioni concrete su come possa cambiare la vita di tutti i giorni. Il grafene è sicuramente un ottimo conduttore di elettricità ed essendo una membrana spessa solo un atomo assorbe poca luce, circa il 2 %, risultando quindi praticamente trasparente. Un collega dell’Università di Cambridge, il Dr. Andrea C. Ferrari (uno dei tanti italiani bravi all’estero…), mi ha quindi convinto sul fatto che probabilmente a breve avremo una nuova generazione di conduttori trasparenti basati sul grafene per applicazioni varie tra cui touchscreen elastici e ripiegabili per computer portatili e smart phone.”

 

 

 

4)  Dr. Pellegrini, quali applicazioni potranno avere una paternità scientifica anche italiana?

“Difficile dirlo. La ricerca è sempre, per fortuna, imprevedibile. Posso dire che con alcuni gruppi di ricerca e aziende italiane stiamo lavorando intensamente sul possibile utilizzo del grafene nel campo dei sensori ottici nella regione del lontano infrarosso con possibili ricadute in ambiti quali sicurezza e monitoraggio ambientale. Inoltre stiamo studiando una applicazione del grafene nel settore dell’immagazzinamento di idrogeno, un problema non ancora risolto che è alla base dell’utilizzo di pile a combustibile alimentate a idrogeno. Queste sono tecnologie da sviluppare e speriamo che l’Italia possa dare un contributo significativo.
Infine al NEST siamo stati i primi al mondo a realizzare una copia artificiale del grafene utilizzando un semiconduttore tradizionale. Abbiamo scavato con un raggio di ioni la superficie di un semiconduttore – arseniuro di gallio – creando in rilievo sulla sua superficie una struttura esagonale identica a quella del grafene. Gli elettroni in questo materiale artificiale si comportano come nel grafene con il vantaggio di essere in un materiale tra i più utilizzati nell’industria optoelettronica. Assieme ad altri gruppi nel mondo stiamo cercando di capire le potenzialità di questi nuovi dispositivi artificiali.”

 

 

Angelo Granati

 

 

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