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Il materiale più resistente mai testato
Gli scienziati dei materiali cantano le lodi del grafene da quando è stato isolato per la prima volta nel 2005. I fogli di carbonio dello spessore di un atomo conducono gli elettroni meglio del silicio e sono stati trasformati in transistor veloci e a bassa potenza. Ora, per la prima volta, i ricercatori hanno misurato la forza intrinseca del grafene e hanno confermato che è il materiale più resistente mai testato. La scoperta fornisce una buona prova che i transistor al grafene potrebbero assorbire il calore nei futuri microprocessori ultraveloci.
Materiale più resistente: Premendo una punta di diamante affilata nel grafene fino a quando non si rompe, i ricercatori hanno stabilito che il materiale è il più resistente mai testato. Questa immagine, un'illustrazione, mostra la struttura atomica del grafene, che è spessa un atomo e composta da carbonio e idrogeno disposti in una rete simile a un filo di pollo.
Jeffrey Kysar e James Hone , professori di ingegneria meccanica alla Columbia University, hanno testato la forza del grafene a livello atomico misurando la forza necessaria per romperlo. Hanno scavato fori larghi un micrometro in un wafer di silicio, hanno posizionato un campione perfetto di grafene su ciascun foro e poi hanno intaccato il grafene con una sonda affilata fatta di diamante. Tali misurazioni non erano mai state effettuate prima perché devono essere eseguite su campioni perfetti di grafene, senza lacrime o atomi mancanti, affermano Kysar e Hone.
Hone paragona il suo test allo stendere un pezzo di pellicola trasparente sulla parte superiore di una tazza di caffè e misurare la forza necessaria per forarlo con una matita. Se riuscisse a ottenere un pezzo di materiale abbastanza grande da appoggiare sopra una tazza di caffè, dice, il grafene sarebbe abbastanza forte da sostenere il peso di un'auto in equilibrio sulla matita.
È improbabile che l'incredibile forza del grafene venga utilizzata in un compito del genere. A livello macroscopico delle tazzine da caffè e delle auto, qualsiasi materiale sarà pieno di crepe e difetti, afferma Kysar. È al livello di tali crepe e difetti che le ali degli aeroplani e i supporti dei ponti falliscono. Solo un piccolo campione può essere perfetto e superforte, dice Hone.
Tuttavia, le misurazioni sono l'ennesima dimostrazione delle notevoli proprietà del grafene. Sapevamo che il grafene era il materiale più resistente; questo lavoro lo conferma, dice Konstantin Novoselov , un borsista dell'Università di Manchester, che è stato il primo a isolare fogli bidimensionali del materiale.
La forza del materiale è una notizia particolarmente positiva per coloro nel settore dei semiconduttori che sperano di rendere i computer più veloci sviluppando microprocessori che utilizzano transistor al grafene. La principale responsabilità per quanto riguarda l'industria della microelaborazione è la tensione, afferma Julia Greer , scienziato dei materiali al Caltech. Non solo i materiali utilizzati per realizzare i transistor devono avere buone proprietà elettriche, ma devono anche essere in grado di resistere alle sollecitazioni dei processi di fabbricazione e al calore generato da operazioni ripetute. I processi utilizzati per modellare le connessioni elettriche metalliche sui microprocessori, ad esempio, esercitano sollecitazioni che possono causare il guasto dei chip. E, dice Greer, l'ostacolo principale alla realizzazione di microprocessori più veloci è che il calore è troppo da sopportare per i materiali. Sulla base delle misurazioni della sua forza, i transistor al grafene potrebbero sopportare il calore.
Il grafene è l'elemento base di molte altre nanostrutture tridimensionali costituite da carbonio, inclusi nanotubi e buckyball, molecole cave a forma di pallone da calcio. In teoria, un nanotubo è grafene arrotolato, quindi dovrebbe avere la stessa forza, dice Hone. In realtà, tuttavia, la maggior parte dei nanotubi ha piccoli difetti: qua o là manca un atomo. Quando tiri su un nanotubo, dice Hone, si rompe in qualsiasi punto in cui c'è un difetto.
La resistenza meccanica del grafene su scala nanometrica potrebbe rivelarsi utile per applicazioni diverse dai transistor per microprocessori. Il materiale potrebbe, ad esempio, fungere da interruttore elettrico durevole e ad azionamento meccanico per dispositivi di comunicazione, inclusi telefoni cellulari e radar avanzati, afferma Kysar.
Sebbene la maggior parte della ricerca sui nanomateriali si sia concentrata sulle loro proprietà elettriche, ottiche e chimiche, le proprietà meccaniche controllano più di quanto potrebbe sembrare, afferma Greer. I database esistenti sulla resistenza dei materiali non tengono conto delle differenze di resistenza su scala nanometrica. Ma ora, almeno, i ricercatori che testano la forza dei nanomateriali avranno un record da raggiungere.