Nanowiggle: gli scienziati scoprono il grafene con proprietà regolabili

La miniaturizzazione ha caratterizzato da sempre il progresso tecnologico, specie nell'elettronica. La possibilità di realizzare strutture sempre più piccole consente di disporre di soluzioni più performanti, a parità di dimensioni, o dal minor consumo energetico. La miniaturizzazione applicata al silicio, però, si sta avvicinando a grandi passi al limite fisico del materiale stesso: già con i processi di produzione attuali da 32 o 28 nanometri è infatti opportuno essere in grado di gestire adeguatamente i problemi di dispersione della corrente, che causerebbero altrimenti malfunzionamenti e consumi più elevati.

Da diversi anni scienziati e ricercatori sono al lavoro per individuare materiali alternativi al silicio in grado di poterne superare i limiti fisici. Tra questi il materiale più promettente è il grafene, del quale abbiamo avuto occasione di parlare diverse volte su queste pagine. Il grafene è uno dei materiali più sottili attualmente conosciuti, essendo composto da un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, con struttura cristallina esagonale.

Il grafene puro non ha le proprietà di un tradizionale semiconduttore, ma può essere opportunamente alterato per mostrare eccezionali proprietà elettromagnetiche. L'avanzamento delle attività di ricerca attorno al grafene permetteranno di entrare in una nuova era nei mondi della nanoelettronica, dell'ottica e della spintronica, quest'ultima una tecnologia emergente che si basa sullo spin degli elettroni per conservare e computare le informazioni.

Utilizzando la potenza di calcolo di uno tra i primi 500 supercomputer al mondo, i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno potuto scoprire interessanti caratteristiche di una nuova e promettente forma di grafene, denominata "nanowiggle". Gli scienziati hanno scoperto che particolari nastri nanoscopici di grafene possono essere segmentati in frammenti differenti cui è stato dato il nome di "nanowiggle". Ciascuna di queste strutture è caratterizzata da proprietà magnetiche e conduttive differenti: in questo modo gli scienziati possono scegliere le varie nanostrutture in grafene sulla base delle sue proprietà e in relazione ai compiti che dovrà svolgere o ai dispositivi cui sarà destinata.

Un'immagine al microscopio elettronico dei nanowiggle

Vincent Meunier, Gail and Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation Professor of Physics, Information Technology, and Entrepreneurship presso il Rensselaer Polytechnic Institute spiega: "I nanomateriali in grafene hanno moltissime proprietà, ma fino ad ora è stato molto difficile poter costruire nanostrutture in grafene scevre da difetti. La difficoltà nella realizzazione di queste nanostrutture ha creato una barriera quasi insormontabile tra l'innovazione e il mercato. Il vantaggio principale di questi nanowiggle è la facilità di produzione in nastri piuttosto lunghi e senza difetti".

I nanowiggle sono stati recentemente individuati da un gruppo di scienziati dell' Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in Svizzera. Si tratta di piccoli nastri di grafene assemblati chimicamente atomo per atomo. Si tratta di un approccio completamente differente rispetto al metodo di produzione standard del grafene che prevede la sfogliatura in strati di un blocco di grafite; questo processo spesso crea un materiale che non è perfettamente liscio ma risulta essere frastagliato in corrispondenza dei bordi.

Meunier ed il suo team di ricercatori si sono concentrati in particolare sullo studio delle proprietà di questo nuovo tipo di grafene, analizzando le differenti proprietà di ciascun tipo di struttura. Ciascun nanowiggle, infatti, assume forme differenti e sono stati classificati in 4 diverse categorie proprio sulla base della forma dei loro bordi. Meunier ha individuato una forma "armchair", una "armchair/zigzag", una "zigzag" e una "zigzag/armchair". Il nome nanowiggle deriva dalla forma sinuosa che assomiglia a quella di un bruco che procede sulla superficie di una foglia con la sua caratteristica andatura.

Gli scienziati hanno trovato, in particolare, che differenti nanowiggle sono in grado di esprimere bandgap (ovvero la banda di energia tra la banda di conduzione e la banda di valenza, che in sintesi possiamo dire determina il livello di conduttività elettrica di un materiale solido) differenti. Non solo, nanowiggle differenti sono in grado di mostrare fino a cinque diverse proprietà magnetiche. Questi elementi permetteranno agli scienziati di regolare il bandgap e le proprietà magnetiche di una nanostruttura sulla base della sua applicazione. "Abbiamo una roadmap che consentirà di costruire e personalizzare facilmente i nanomateriali per le applicazioni nell'ambito del fotovoltaico, dei semiconduttori e della spintronica".

Meunier ed il suo gruppo di ricerca ha potuto effettuare le analisi utilizzando il supercomputer CCNI (Computational Center for Nanotechnology Innovations) installato presso il Rensselaer Polytechnic Institute: si tratta di un supersistema classificatosi al 225esimo posto della TOP500 Supercomputer List compilata lo scorso mese di novembre. Il supersistema, basato su soluzioni eServer Blue Gene di IBM, è caratterizzato da oltre 32 mila core di elaborazione ed è in grado di esprimere una potenza computazionale di 73 TeraFLOP.

"Senza il CCNI avremmo impiegato ancora molto tempo prima di poter arrivare a questa scoperta.Questa ricerca è un eccellente esempio nell'illustrare il ruolo chiave del CCNI nelle attività di ricerca e scoperta della scienza fondamentale" ha concluso Meunier.