Sapere Scienza

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Qual è il segreto dell'angolo magico del grafene?

17 Luglio 2019

Fu scoperto nel 2004 ed è valso il premio Nobel per la fisica del 2010 ad Andre Geim e Konstantin Novoselov: è il grafene. Protagonista di numerosi studi e applicazioni, solo l'anno scorso ha mostrato di poter comportarsi da superconduttore grazie alla rotazione tra due fogli di un particolare angolo, un angolo magico. Un risultato eccezionale che sta dando origine a ulteriori ricerche sulle cause di tale effetto. Cos'è il grafene? Qual è il suo angolo magico e perché lo è? Cerchiamo di capirlo insieme.

 

Cos'è il grafene e quali sono le sue applicazioni?

 

Il grafene, come la grafite, il diamante e il fullerene, è un materiale costituito da atomi di carbonio. Nella grafite gli atomi sono disposti in strati planari che formano un reticolo a maglie esagonali, il diamante è costituito da un reticolo cristallino di atomi disposti in una struttura tetraedrica, il fullerene ha una disposizione di atomi che danno vita a uno sferoide. Il grafene, invece, è simile alla grafite: un reticolo di esagoni ma in un monostrato bidimensionale di atomi di carbonio. Allo stesso tempo resistente e flessibile, viene utilizzato in numerosi settori: nell'elettronica per la produzione di transistor ma anche in fisica e persino nella moda. Le sue proprietà elettriche sono da molto tempo sotto la lente di ingrandimento di numerosi gruppi di ricerca e proprio l'anno scorso c'è stata una svolta molto interessante.

 

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L'angolo magico del grafene

 

Nel 2018 i ricercatori del MIT-Massachusetts Institute of Technology e dell'Harvard University hanno scoperto che il grafene poteva presentare particolari proprietà elettriche, passando dai due estremi: isolante, in cui gli elettroni non hanno modo di fluire, e superconduttore, in cui la corrente elettrica fluisce senza resistenza. In passato, gli studiosi sono riusciti, a partire dal grafene, a produrre superconduttori - materiali in cui, a bassa temperatura, l'elettricità fluisce senza resistenza - unendo lo speciale materiale ad altri metalli superconduttori, in modo che ne "ereditasse" la particolare proprietà elettrica. Il team di scienziati ha però trovato una strada da percorrere per trasformare i fogli di grafene stessi in superconduttori. Come? Hanno realizzato un "super-reticolo" composto di due fogli di grafene impilati non precisamente sovrapposti ma ruotati di 1,1 gradi: è questo l'angolo magico che crea una configurazione che porta a interazioni tra gli elettroni dei due strati.

 

Da isolante a superconduttore

 

Come è spiegato nella News del MIT dedicata alla pubblicazione della ricerca del 2018, la capacità di un materiale di condurre elettricità è solitamente rappresentata in termini di bande energetiche, in cui una singola banda costituisce la gamma di energie che gli elettroni possono avere. Tra le bande c'è una lacuna di energia e, quando una delle bande viene riempita, a un elettrone servirà dell'energia extra per saltare quella lacuna e occupare l'altra banda vuota a disposizione. Un materiale è considerato isolante se l'altra banda è completamente piena di elettroni mentre i conduttori, come i metalli, mostrano bande di energia solo parzialmente riempite, con stati energetici vuoti che gli elettroni possono occupare per muoversi liberamente.
C'è poi una particolare classe di isolanti: gli isolanti di Mott. Sono isolanti che teoricamente, considerando la struttura delle loro bande, dovrebbero condurre ma che non lo fanno a causa delle forti interazioni elettrostatiche tra elettroni. Nello specifico la banda non del tutto piena si divide in due più piccole, bande quasi piatte quindi costituite da un unico livello, con gli elettroni che occupano completamente una banda e lasciano l'altra vuota, originando il comportamento da isolante.

 

Perché quest'angolo è speciale?

 

I ricercatori, con una serie di esperimenti, hanno scoperto che ruotando due fogli di grafene di 1,1 gradi il super-reticolo presenta un comportamento da isolante di Mott. In generale, per poter far sì che un isolante di Mott conduca si ricorre al drogaggio del materiale: si aggiungono piccole percentuali di ossigeno che attraggono gli elettroni lasciando spazio agli altri per fluire. Così l'isolante si trasforma in semiconduttore. Per i due fogli di grafene ruotati a 1,1 gradi, gli studiosi hanno capito che si possono raggiungere gli stessi risultati: hanno applicato un tensione elettrica aggiungendo piccole quantità di elettroni alla struttura. A questo punto elettroni singoli si sono legati agli elettroni del grafene permettendo loro di fluire laddove prima non era permesso. A una determinata quantità di elettroni è corrisposto un flusso di corrente elettrica senza dissipazione di energia: ecco che il comportamento del grafene da isolante si è trasformato in superconduttore.
Ma perché questo fenomeno accade proprio a una determinata angolazione? Cos'ha di speciale questo angolo magico? Un recente articolo pubblicato su Quanta Magazine parla dei tentativi degli studiosi di rispondere al quesito. Gli autori dell'articolo pubblicato in marzo su Physical Review Letters hanno cercato di dare una spiegazione all'angolo magico considerando l'eventualità che l'interazione tra atomi di carbonio ed elettroni potesse variare a seconda delle regioni del doppio strato di grafene. Gli elettroni non riescono muoversi facilmente in tutte le zone del super-reticolo costituito dai due fogli sovrapposti. Per semplificare si sono due tipi di aree: quelle in cui gli atomi di carbonio sono pienamente allineati e quelle in cui solo la metà lo sono. Nelle prime, i due fogli sono troppo lontani e per gli elettroni il passaggio diventa difficile, al contrario, nelle seconde la situazione è tale da permettere il flusso degli elettroni senza resistenza. Questa spiegazione è chiamata modello TKV, dal nome dei suoi ideatori: Grigory Tarnopolsky, Alex Kruchkov e Ashvin Vishwanath, ed è in grado di fornire la comprensione anche di ciò che succederebbe in configurazioni più complesse di fogli di grafene. Gli scienziati sperano di raccogliere i risultati di ulteriori esperimenti sul grafene - e altri materiali in fogli sovrapposti - per riuscire a percorrere ulteriori passi avanti in questo nuovo ramo delle scienze dei materiali, la twistronica: lo studio di come l'angolo (quindi la rotazione) tra strati bidimensionali di alcuni materiali cambi le loro proprietà elettriche.

 

Quando si parla di nuovi materiali è facile pensare anche al problema dei brevetti. Di quest'ultimi scrive Arianna Neri nell'articolo "Ricerca medica e brevetti: un'unione necessaria?", che potrete acquistare e leggere singolarmente o nel numero di ottobre 2018 di Sapere.

 

Credits immagine: foto di seagul da Pixabay

copertina   settembre-ottobre 2019

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