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Come fare il grafene
Il grafene, un singolo strato piatto di atomi di carbonio, può trasportare elettroni a velocità notevoli, il che lo rende un materiale promettente per i dispositivi elettronici. Fino a poco tempo fa, i ricercatori erano stati in grado di produrre solo piccole scaglie di materiale, e solo in piccole quantità. Tuttavia, i ricercatori della Rutgers University hanno sviluppato un modo semplice per realizzare pellicole di grafene trasparenti larghe pochi centimetri e spesse da uno a cinque nanometri.
Processo flessibile: Un nuovo metodo di fabbricazione sviluppato dai ricercatori della Rutgers University può depositare un film di grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, su quasi tutti i substrati, inclusa la plastica flessibile mostrata qui. I film potrebbero essere utilizzati in transistor a film sottile o come elettrodi conduttivi per celle solari organiche.
Film sottili di grafene potrebbero fornire un sostituto economico per gli elettrodi trasparenti e conduttivi di ossido di indio-stagno utilizzati nelle celle solari organiche. Potrebbero anche sostituire i transistor a film sottile di silicio comuni negli schermi di visualizzazione. Il grafene può trasportare gli elettroni dieci volte più velocemente del silicio, quindi i transistor a base di grafene potrebbero funzionare più velocemente e consumare meno energia. (Vedi Transistor al grafene e Transistor al grafene migliori.)
In effetti, il professore di scienze dei materiali e ingegneria di Rutgers Manish Chowalla e i suoi colleghi hanno usato i loro film di grafene per realizzare prototipi di transistor e chiamate solari organiche. In un recente Nanotecnologia della natura carta , hanno dimostrato di poter depositare le pellicole trasparenti su qualsiasi substrato, inclusi vetro e plastica flessibile. Chhowalla afferma che il metodo potrebbe essere adattato su una scala più ampia per rivestire metri e metri di substrati con pellicole di grafene, utilizzando l'elaborazione roll-to-roll, una tecnica in fase di sviluppo per realizzare grandi circuiti elettronici flessibili.
Al contrario, le attuali tecniche per produrre grafene producono piccole quantità di materiale, adatte solo per uso sperimentale. Una tecnica comune è chiamata metodo del nastro scozzese, in cui un pezzo di nastro adesivo viene utilizzato per staccare i fiocchi di grafene da un pezzo di grafite, che è essenzialmente una pila di fogli di grafene. Ciò si traduce in frammenti di grafene di dimensioni micrometriche, che vengono posizionati tra gli elettrodi per creare un transistor. Ma se parli di dispositivi su larga scala, vuoi creare [fogli] macroscopici, dice Hannes Schniepp , un ricercatore di grafene presso la Princeton University. Per questo, è necessario guidare l'assemblaggio di pezzi di grafene più piccoli su una vasta area, afferma Schniepp, che è esattamente ciò che fanno i ricercatori Rutgers.
I ricercatori iniziano creando una sospensione di scaglie di ossido di grafene. Ossidano le scaglie di grafite con acido solforico o nitrico. Questo inserisce atomi di ossigeno tra i singoli fogli di grafene e li separa, risultando in fogli di ossido di grafene, che sono sospesi nell'acqua.
La sospensione viene filtrata attraverso una membrana che ha pori larghi 25 nanometri. L'acqua passa attraverso i pori, ma i fiocchi di ossido di grafene, ciascuno dei quali è largo pochi micrometri e spesso circa un nanometro, coprono i pori. Questo accade in modo regolamentato, dice Chhohall. Quando un fiocco copre un poro, l'acqua viene diretta ai suoi vicini scoperti, che a loro volta vengono coperti, fino a quando i fiocchi non si distribuiscono su tutta la superficie. Il metodo consente di depositare singoli strati di grafene, afferma Chhowalla. [Esso] si traduce in un film quasi uniforme depositato sulla membrana. I ricercatori posizionano il lato rivestito con film della membrana su un substrato, come vetro o plastica, e lavano via la membrana con acetone. Infine, espongono il film a una sostanza chimica chiamata idrazina, che converte l'ossido di grafene in grafene.
James Tour , un professore di chimica alla Rice University, afferma che questo è sicuramente il metodo più semplice che ho visto per realizzare [film sottili di grafene] su vaste aree. Pensa che il processo potrebbe essere facilmente convertito in una tecnica di produzione su scala commerciale più ampia. È molto suscettibile di produzione rapida, dice. Non ci vorrà molto per produrre queste cose... e coprire vaste aree.
Chhowalla e i suoi colleghi controllano lo spessore del film modificando il volume della sospensione. Un volume di 20 millilitri si traduce in un film che è per lo più da uno a due nanometri di spessore, mentre una sospensione di 80 millilitri si traduce in film che sono principalmente spessi da tre a cinque nanometri. Le pellicole più sottili sono trasparenti al 95%. I ricercatori hanno utilizzato le pellicole come elettrodi trasparenti nelle celle solari organiche. Hanno anche realizzato transistor posizionando i loro film su un substrato di silicio e depositandovi sopra elettrodi d'oro.
I film di grafene richiedono molto più lavoro. In questo momento, i transistor non trasportano tanta corrente quanto quelli prodotti da singoli fiocchi di grafene, il che, ipotizzano i ricercatori, è dovuto alla sovrapposizione dei fiocchi nei loro film. Per i transistor di alta qualità, dovranno realizzare film di grafene a strato singolo senza sovrapposizioni. Devono anche migliorare la conduttività del loro film: l'ossido di indio e stagno è ancora centinaia di volte più conduttivo. Le celle solari organiche con elettrodi all'ossido di indio e stagno hanno un'efficienza compresa tra il 3% e il 5%. Con gli elettrodi a film sottile di grafene, otteniamo lo 0,1 percento, dice Chhowalla, ma questi sono dispositivi proof-of-concept e ovviamente miglioreranno con il tempo.
Tour ritiene che il film sia più promettente per le celle solari organiche che per i transistor. Molti ricercatori stanno anche studiando i film di nanotubi di carbonio come un modo per sostituire i rivestimenti di ossido di indio e stagno sulle celle solari. Ma Tour afferma che il grafene sarebbe forse più semplice rispetto all'utilizzo di nanotubi di carbonio a causa della maggiore disponibilità del materiale. L'industria potrebbe anche trovare più facile adottare il grafene a causa delle preoccupazioni che alcune persone hanno riguardo agli effetti dei nanotubi di carbonio sull'ambiente.