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Il grafene, materiale promettente… Sì, molto promettente

Nel 1998 inizia la sua esperienza nel mondo IT in Mondadori e partecipa alla nascita di Web Marketing Tools di cui coordina la redazione. Redattore esperto di software per PC Magazine, e caporedattore di ComputerIdea, segue da circa 20 anni l'evoluzione del mondo hardware, software e dei servizi IT in un confronto continuo con le aziende leader del settore

Le potenzialità del grafene lette dagli esperti. Alcuni utilizzi già in essere e le difficoltà a immaginare un futuro prossimo come alternativa al silicio. Ne parliamo con Stefano Sanguinetti, professore associato di Struttura della Materia all’Università di Milano Bicocca

Si parla oramai da anni del grafene, delle potenzialità di questo materiale costituito da un unico strato di atomi di carbonio ma anche molto flessibile. Anche su Silicon ne abbiamo parlato in più occasioni, cercando di indagare il possibile futuro nello sviluppo delle Cpu con materiali diversi dal silicio.

Per approfondire il tema abbiamo intervistato Stefano Sanguinetti, professore associato di Struttura della Materia all’Università di Milano Bicocca, per cercare di capire potenzialità e declinazioni reali sul campo di questo allotropo del carbonio che ha la particolarità di avere ogni atomo legato a tre adiacenti, tale da renderlo quasi un cristallo bidimensionale. Inevitabile quindi partire proprio dalle applicazioni di maggiore interesse per il mondo IT e quindi le cpu.

Stefano Sanguinetti
Stefano Sanguinetti – Professore Associato di Struttura della Materia all’Università di Milano Bicocca

Esordisce Sanguinetti: “Ho lavorato sul carbonio dalla fine degli anni ’80, e il grafene nel tempo mi ha affascinato sempre di più. Ha tantissime caratteristiche interessanti, una mobilità elettronica elevata, la possibilità di lavorare con sistemi molto sottili, è un conduttore ma allo stesso tempo trasparente, quindi non manca certo di proprietà potenzialmente interessanti, soprattutto sul lungo periodo e guardando al futuro. Ecco sì, in questa lunga prospettiva probabilmente riuscirà a sostituire il silicio” .  Si tratta però davvero di una prospettiva di lungo termine e bisognerebbe sgombrare il campo da un serie di facili “illusioni”.

Alcuni recenti articoli sembra abbiano in effetti innescato entusiasmi prematuri. Per esempio, c’è chi annuncia di  avere realizzato transistor velocissimi in grafene (su Nature Communications) ma approfondendo si comprende come il risultato, di natura complessa (arrivato sfruttando tre nanofili adiacenti) sia legato a una logica strettamente spintronica, con l’informazione non trasportata attraverso gli elettroni ma attraverso una variazione dello spin, e quindi una logica non utilizzata/applicabile sui calcolatori come oggi li progettiamo.

La spintronica, secondo Sanguinetti, è sì di grandissimo interesse, ma vive anche di lunghissimi “respiri”. Per questo, prosegue il docente, è importante comprendere come il grafene abbia senza il minimo dubbio grandi potenzialità per sostituire il silicio e rendere i calcolatori molto più veloci, ma siamo anche molto lontani dall’obiettivo finale perché “non si può sostituire tutta la logica del calcolatore, così come è oggi, basata su un semiconduttore, e pensare che con il grafene, che non è un semiconduttore, funzioni allo stesso modo”. 

Ci sono tuttavia già una serie di applicazioni in cui il grafene viene utilizzato e ha portato dei miglioramenti, anche se non sono disponibili evidenti applicazioni commerciali. Per esempio il grafene funziona benissimo come elettrodo trasparente per i display televisivi. Sanguinetti: “Samsung ha sviluppato un metodo per produrre fogli giganti di grafene da utilizzare come elettrodo conduttivo negli schermi, mentre al momento si usa ITO ovvero Indium Tin Oxide, l’ossido di indio-stagno, e ben tutti sanno come l’indio sia davvero raro e costoso. La ricerca di Samsung è da leggere proprio in relazione al tentativo di cercare vie alternative per raggiungere i medesimi scopi e utilizzi”.

Un altro possibile utilizzo del grafene potrebbe legarsi alle batterie. Sono già costruite con carbonio e litio e anche il grafene potrebbe “dire la sua”. Probabilmente l’applicazione più vicina a noi, in questo momento, è la creazione con il grafene di soluzioni di elettronica flessibile. Il grafene può servire a generare la maggior parte dei componenti in elettronica, ma su una membrana flessibile per esempio per soluzioni indossabili. Non è possibile tuttavia al momento generare transistor nell’ordine dei 10nm come accade ora con il silicio. Sembra non tanto per un limite intrinseco nel materiale (approfondiremo il tema), ma per il nostro livello tecnologico attuale. Sanguinetti: “E’ altamente possibile, insomma, che si arrivi a tutti gli sviluppi nell’utilizzo del grafene che ci immaginiamo oggi, ma siamo ancora ben lontani dall’applicazione pratica” .

Il grafene, come si produce dove già lo si usa

Oggi il grafene si produce in diversi modi. In camera bianca, per esempio, per semplice contatto con il nastro adesivo fatto aderire alla grafite e poi “strappato” e selezionato davanti al microscopio fino a isolare i frammenti (nell’ordine dei micron) con un solo strato. E’ incredibile, ma accade proprio così ed è una metodologia a basso costo. Oppure, come Samsung ha fatto, si può coltivare il grafene su un foglio di rame. Il rame viene introdotto in una macchina di crescita che sfrutta la tecnologia Chemical Vapor Deposition. Si deposita un sottilissimo strato di grafite sul rame e quindi si scioglie in acido il rame e resta il grafene “coltivato”.  Con questo sistema si possono produrre superfici molto estese. 

Directa Plus produce grafene in fiocchi Una delle fasi della lavorazione
Directa Plus produce grafene in “fiocchi”. Una delle fasi della lavorazione

Il grafene oggi è poi già molto utilizzato in “fiocchi” . Lo produce così un’azienda comasca  (la Directa Plus) che prende della grafite, la fa “esplodere” attraverso un particolare metodo elettro-chimico, fino a ottenere appunto dei sottili “fogliettini”, in verità poco utilizzati nell’elettronica, ma invece molto utilizzati per generare additivi per pneumatici (per ridurre l’attrito statico compressivo) e – poiché il grafene è molto attivo chimicamente con altri idrocarburi – anche come sistema per la pulizia dell’acqua proprio da idrocarburi. In questo caso vengono letteralmente inseriti in acqua sacconi colmi di grafene in grado di catturare idrocarburi dispersi.

Directa Plus - Come utilizzare il grafene come sistema di purificazione dell'acqua dagli idrocarburi
Directa Plus – Come utilizzare il grafene come sistema di purificazione dell’acqua dagli idrocarburi

Altri utilizzi promettenti e molto pertinenti con gli ambiti di indagine di Silicon sono quelli relativi ai sensori agli infrarossi. Il sistema è abbastanza complesso: si prendono Quantum Dot (i medesimi utilizzati nei televisori Samsung o LG come coloranti stabili, nanoparticelle di semiconduttore che a seconda del diametro cambiano colore), vengono depositati su uno strato di grafene e a sua volta questo viene depositato su un’elettronica di silicio. I Quantum Dot assorbono la luce, rilasciano gli elettroni al grafene che essendo un buon conduttore cambia immediatamente il suo stato letto dall’elettronica di silicio. Un ottimo sistema per estendere nell’infrarosso la sensibilità del silicio. 

Sanguinetti: “Si può capire bene come il grafene sia molto promettente quindi, ma continui a rimanere promettente, e non sia riuscito ancora a generare un vero breaktrough”. Al momento resta che produrre grafene costa infinitamente di più, rispetto al silicio, proprio perché i volumi sono minimi e mancano economie di scala.

La materia di suo è ampiamente disponibile, invece. Si tratta di carbonio, grafite ce ne è quante ne si vuole, e ne serve solo davvero uno strato atomico. Per il professore sarebbero inopportuni i confronti sulle qualità meccaniche del grafene rispetto all’acciaio, e invece  è ancora molto interessante lo studio sui nanofili di carbonio (grafene arrotolato in modo molto stretto) perché generano fibre lunghissime, molto resistenti che possono essere filate assieme per ottenere un miglioramento nettissimo anche delle proprietà meccaniche.

Alcuni degli ambiti di ricerca sul grafene procedono in parallelo con quelli relativi ai semiconduttori. E’ questo il focus delle ricerche del professor Sanguinetti che si occupa di semiconduttori e di semiconduttori composti (tipo arsenio di gallio). Il professore ne fa delle nanostrutture e le utilizza (proprio come chi lavora sul grafene) per avere delle telecamere multispettrali integrate su silicio, quindi telecamere che vedano insieme – ma su canali differenti – l’infrarosso termico, quello vicino a 1,5 micron e il visibile.

Ci muoviamo quindi nell’ambito della Fusion Imaging, al servizio delle macchine a guida autonoma (automotive). Spieghiamo: le auto devono riconoscere cosa hanno di fronte e non è sufficiente la semplice immagine o il riconoscimento della sagoma, ma serve anche capire la loro “natura”: un albero vero, sulla sede stradale, deve sollecitare il veicolo a comportamenti diversi da un albero di cartone, magari che funge da locandina). In verità il sistema funziona solo se il sistema di lettura è molto più profondo, rispetto alla semplice “fotografia” fosse anche ad alta risoluzione.

Poiché ogni corpo emette luce a lunghezza d’onda diverse e ha una firma spettrale differente, l’analisi non solo dell’immagine ma anche dell’infrarosso tornerà utile per assegnare priorità diverse alle possibilità direzionali del veicolo. La ricerca di Sanguinetti è volta proprio a rendere il silicio capace di fare questo lavoro, attraverso due progetti, condotti insieme al Prof. Associato Giovanni Isella, uno con STMicroelectronics e uno appena approvato dalla Comunità Europea.