Scienza dei materiali
Materiali 2D, come il grafene, aprono nuove frontiere nelle scienze dei materiali
Una scoperta accidentale
La maggior parte degli oggetti fisici è costituita da materiali 3D. I materiali solidi sono spesso formati da atomi organizzati in strutture 3D predefinite che creano metalli e cristalli, oppure da atomi disorganizzati che formano altre cose.
Per molto tempo si è ritenuto che questa fosse l’unica forma in cui la materia potesse organizzarsi per formare oggetti solidi. Ma 20 anni fa (2004), due ricercatori dell’Università di Manchester, Andre Geim e il professor Kostya Novoselov, scoprirono un materiale 2D, il grafene. Lo scoprirono quasi per caso quando si accorsero che un semplice nastro adesivo applicato al grafite (ciò che costituisce le matite) creava uno strato mono‑atomico di carbonio.
Questo in seguito gli valse il Premio Nobel per la Fisica nel 2010.
Il grafene è costituito da atomi di carbonio, ma invece di trovarsi in forma disorganizzata (grafite) o in un cristallo organizzato (diamanti), nel grafene gli atomi di carbonio sono allineati in uno strato mono‑atomico, simile a un foglio di carta ultra‑sottile. Scoprirono inoltre che è possibile formare materiali a 1 o 0 dimensioni, come nanotubi o punti quantici.
Fonte: Ossila
Ciò che rende i materiali 2D speciali è che questa configurazione unica porta con sé proprietà fisiche uniche.
Ad esempio, il grafene è estremamente conduttivo, con elettroni che possono circolare al suo interno a 1/300th della velocità della luce. È anche un ottimo conduttore termico e possiede la più alta resistenza alla trazione di qualsiasi materiale, nonostante sia otticamente trasparente, assorbendo solo il 2 % della luce visibile incidente.
Fonte: Visual Capitalist
Molto più del grafene
Le proprietà uniche del grafene lo hanno subito reso il fulcro di migliaia di ricercatori desiderosi di svelarne le proprietà elettriche, chimiche e fisiche.
Tuttavia, altri hanno iniziato a chiedersi se anche altri elementi, oltre al carbonio, potessero creare materiali 2D. La risposta è stata sì, con previsioni teoriche che promettono centinaia di diversi potenziali materiali 2D. Tra i più importanti e studiati materiali 2D oltre al grafene, possiamo citare alcuni:
- Borofene, costituito da atomi di boro, scoperto solo nel 2015.
- Goldene, costituito da atomi d’oro, prodotto per la prima volta nel 2024.
- Silicene, costituito da atomi di silicio.
- Fosforene, costituito da atomi di fosforo.
Sembra inoltre che i materiali 2D non debbano essere composti da un solo elemento puro — per esempio, monostrati di disolfuro di molibdeno (MoS2) o nitruro di silicio (Si3N4).
Altri atomi possono anche essere legati al monostrato, creando una superficie “rugosa”, come quando si aggiunge idrogeno agli atomi di carbonio del grafene per formare graphane.
Di Edgar181 (talk) – Lavoro proprio, Dominio pubblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
A causa di questa estrema diversità di materiali, i ricercatori stanno appena iniziando a scoprire il potenziale dei materiali 2D.
Applicazioni – Aspetti fondamentali
In generale, ciò che rende i materiali 2D unici è che la loro struttura atomica molto organizzata consente una configurazione unica degli elettroni e un legame stretto tra gli atomi.
Questo spiega a sua volta l’eccezionale conduttività elettrica (flusso di elettroni), la conduzione termica (trasferimento di energia tra atomi) e la resistenza fisica (legami covalenti tra atomi dovuti allo scambio di elettroni).
La struttura 2D conferisce inoltre a questi materiali le più alte aree superficiali specifiche (superficie dove sono possibili interazioni) di tutti i materiali conosciuti. Questo li rende eccellenti candidati per nuove forme di catalizzatori o, in generale, per partecipare a reazioni chimiche ed elettriche.
Superconduttori
Poiché gli elettroni fluiscono quasi completamente liberamente sulla superficie dei materiali 2D, sono stati considerati buoni candidati per la superconduttività.
La superconduttività è ciò che accade quando un materiale è in grado di condurre elettricità senza alcuna resistenza.
Ciò significa che non solo non c’è perdita di energia, il che potrebbe essere molto utile per trasportare energia su lunghe distanze, ma anche che una corrente che attraversa il materiale non genera calore. Questo lo rende incredibilmente utile per ogni tipo di applicazione, dal calcolo ai veicoli elettrici e praticamente a qualsiasi tecnologia che utilizza elettricità.
In teoria, la superconduttività, soprattutto a temperatura ambiente, potrebbe consentire il dominio della fusione nucleare, la propulsione di navi con elettricità, treni maglev economici e ultra‑veloci, driver di massa per raggiungere l’orbita a costi molto bassi, ecc. (Abbiamo approfondito la questione dei superconduttori a temperatura ambiente nel nostro articolo dedicato).
Molti materiali 2D potrebbero mostrare superconduttività nelle condizioni giuste (es. temperatura, pressione, ecc.), tra cui:
- Film ultrafini di metalli elementali.
- Cuprati.
- Ossidi perovskiti.
- Composti di metalli pesanti di terre rare a fermioni pesanti.
- Grafene.
- Seleniuro di ferro su superfici di ossido.
- Conduttori organici su superfici metalliche.
Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali in grado di passare selettivamente da uno stato conduttivo (che trasferisce elettroni) a uno stato isolante (che blocca gli elettroni). Questo è il principio fondamentale su cui si basano i transistor in silicio e altri elementi di calcolo, con 0 che indica nessuna corrente elettrica e 1 la presenza di corrente.
Più rapidamente un semiconduttore può cambiare stato, più veloce sarà il calcolo associato.
Grafene
All’inizio, i ricercatori che studiavano il grafene pensavano potesse sostituire il silicio nei semiconduttori. Sfortunatamente, manca una caratteristica elettronica chiave chiamata “band gap”.
Un band gap è ciò che determina se un materiale sarà considerato un metallo (conduce elettricità), un isolante (blocca l’elettricità) o un semiconduttore (che può passare da conduttivo a isolante).
Fonte: Energy Education
Il problema è che il grafene non ha alcun band gap, impedendone l’uso come semiconduttore.
Questo era vero fino al 2024, quando i ricercatori hanno annunciato di aver creato il primo semiconduttore al mondo realizzato in grafene.
“Ora abbiamo un semiconduttore in grafene estremamente robusto con una mobilità dieci volte superiore a quella del silicio, e che possiede anche proprietà uniche non disponibili nel silicio.
“Abbiamo dovuto imparare a trattare il materiale, a migliorarlo sempre di più, e infine a misurare le proprietà. Ci è voluto molto, molto tempo.”
Goldene
Un altro materiale 2D di interesse è il goldene, essenzialmente grafene ma con atomi d’oro al posto di quelli di carbonio.
L’oro è già comunemente usato nei chip e nei componenti informatici grazie alle sue proprietà straordinarie, come la resistenza all’ossidazione e l’elevata conduttività elettrica.
Con la produzione nel 2024 del primo monostrato di goldene, le proprietà semiconduttive potrebbero essere aggiunte alla lista.
“Se rendi un materiale estremamente sottile, accade qualcosa di straordinario — come con il grafene. La stessa cosa accade con l’oro. Come sai, l’oro è solitamente un metallo, ma se uno strato è spesso un solo atomo, allora l’oro può diventare un semiconduttore invece.”
Semiconduttori organici
Le molecole organiche sono costituite da uno scheletro di carbonio, insieme ad altri elementi, comunemente ossigeno, azoto, zolfo, ecc.
Fonte: POSTECH
Hanno poi utilizzato una fase chiamata doping di tipo p, comunemente usata nella produzione di semiconduttori.
Ciò consiste nell’aggiungere elementi a un materiale semiconduttore per renderlo ancora più conduttivo.
Fonte: Wikipedia di VectorVoyager
Il materiale risultante è stato descritto dai ricercatori come avente “una conduttività elettrica eccezionale”.
Quindi, anche se in qualche modo i materiali come il grafene sono troppo difficili da produrre su larga scala in configurazione semiconduttiva, o il goldene è troppo costoso, i semiconduttori organici probabilmente saranno disponibili per consentire l’adozione dei semiconduttori 2D nel prossimo futuro.
Super‑materiali
Mentre le proprietà elettriche sono il fulcro dell’interesse scientifico nei materiali 2D, le loro proprietà fisiche sono altrettanto impressionanti.
Ad esempio, il grafene è 200 volte più resistente dell’acciaio per una massa equivalente. Il grafene potrebbe essere integrato nel calcestruzzo, come avviene con l’acciaio nel calcestruzzo armato, creando un calcestruzzo 2,5 volte più resistente e 4 volte meno permeabile all’acqua. Inoltre, il grafene non arrugginisce come l’acciaio, rendendo il calcestruzzo rinforzato con grafene non vulnerabile al “marciume del calcestruzzo” causato dall’ossidazione del ferro, che limita gravemente la durata delle strutture in calcestruzzo.
Di Achim Hering – Lavoro proprio, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527
La resistenza estrema + leggerezza del grafene e di altri due materiali 2D potrebbe anche essere usata per creare corazze più efficienti.
Un altro campo di applicazione può essere la gestione termica. Per esempio, i ricercatori hanno scoperto recentemente che è possibile fabbricare un materiale che sia sia isolante sia rigido (una combinazione rara) creando perovskiti ibridi organico‑inorganici 2D.
I materiali 2D come grafene e nitruro esagonale di boro potrebbero anche essere usati per dissipare calore in dispositivi elettronici e optoelettronici.
Infine, i materiali 2D ultra‑resistenti avanzati potrebbero essere usati per realizzare infrastrutture futuristiche, come ad esempio gli ascensori spaziali. Tuttavia, tali passi saranno realistici solo una volta che avremo capito come produrre economicamente questi materiali non a grammi o chili, ma a milioni di tonnellate.
Biotecnologia
Livelli di superficie molto alti, strati estremamente sottili e proprietà chimiche uniche rendono i materiali 2D ottimi candidati per numerose applicazioni di nicchia nelle industrie mediche e biotecnologiche.
Ciò include il rilascio di farmaci, l’imaging, l’ingegneria tissutale, i biosensori e i sensori di gas.
Un altro fattore nell’emergere dei materiali 2D nelle applicazioni biologiche è la recente scoperta che permette loro di acquisire una caratteristica chiamata chiralità.
La chiralità è un termine chimico che indica che le molecole hanno una simmetria sinistra/destra. La chiralità è una caratteristica importante delle molecole organiche, per esempio gli amminoacidi che sono i mattoni delle proteine.
Fonte: UC Santa Barbara
In molecole, la chiralità può far sì che unità biologiche o chimiche esistano in due versioni che non possono essere perfettamente corrispondenti, come in un guanto sinistro e destro. Possono specchiarsi perfettamente, ma un guanto sinistro non si adatterà mai alla mano destra così bene come alla mano sinistra.
Prof. Dipanjan Pan
Recentemente, i ricercatori hanno sintetizzato piastre di borofene, simili a come frammenti di borofene entrerebbero nel flusso sanguigno. Hanno scoperto che le proprietà chirali delle diverse versioni di borofene interagivano diversamente con le membrane cellulari, e penetravano le cellule in modo differente.
Ciò apre la strada alla progettazione di strutture di borofene personalizzate per applicazioni come lo “sviluppo di imaging medico ad alta risoluzione con contrasto che possa tracciare con precisione le interazioni cellulari o un migliore rilascio di farmaci con interazioni materiale‑cellula puntuali.”
Una migliore comprensione di come la struttura del borofene interagisce con le cellule viventi aiuterà anche a chiarire il suo profilo di sicurezza.
Mentre il profilo di salute del borofene è ancora in fase di valutazione, sembra che il grafene possa anche essere inalato in sicurezza senza alcun rischio acuto per la salute umana. Questi risultati sono ancora molto preliminari ma probabilmente indicano che la rapida proliferazione dei materiali 2D non dovrebbe comportare problemi di salute pubblica.
E più sono biocompatibili, più è probabile che possano essere usati per sviluppare sensori biologici o alimentare nanorobot in circolazione nel nostro flusso sanguigno.
Limitazioni
Produzione su larga scala
Anche il materiale 2D più consolidato e il primo scoperto, il grafene, è ancora prevalentemente dominio di laboratori e startup.
Ciò è dovuto al fatto che produrlo su larga scala è ancora una proposta complessa. Produrre piccole quantità è più o meno semplice, ma produrre quantità massive in modo semi‑automatizzato non lo è.
Il nastro adesivo applicato a un pezzo di grafite è stato sufficiente per scoprire il grafene. Ma metodi molto più complessi come la deposizione chimica da vapore (CVD) sono necessari per la produzione di massa.
Questo sta lentamente diventando più reale, con, per esempio, la pubblicazione di un processo per CVD senza ossigeno che produce grafene ad alta purezza.
Incollaggio
Un altro problema dei materiali 2D è che, poiché sono così sottili e chimicamente unici, possono essere difficili da incollare su altri materiali.
Spesso richiede tecniche specializzate per far aderire uno strato di grafene a chip informatici, a un’alimentazione o a un dispositivo medico.
Questo può richiedere molto più tempo e risorse rispetto a soluzioni meno efficienti ma più facili da implementare.
Costi
Poiché per ora la maggior parte dei metodi di produzione e delle applicazioni su dispositivi esistenti sono per lo più su piccola scala o su misura, i materiali 2D sono rimasti piuttosto costosi.
Il prezzo effettivo può variare notevolmente a seconda della purezza, con ad esempio il grafene che varia tra $20‑2.000/kg.
Ciò significa che anche al prezzo più basso, il grafene è ancora 20 volte più costoso dell’acciaio. Inoltre, per ottenere prestazioni accettabili nella sostituzione di detto acciaio, probabilmente è necessaria una purezza superiore al minimo possibile.
Aziende di materiali 2D
Il settore dei materiali 2D sta evolvendo molto rapidamente, con nuove opzioni come il goldene scoperte regolarmente, e nuove intuizioni su come ottimizzare i “vecchi” materiali come trasformare il grafene in un semiconduttore.
Questi prodotti probabilmente diventeranno un settore economico importante solo una volta prodotti su scala usando metodi industriali.
Finora, il metodo più avanzato e ben documentato è la CVD, conferendo un vantaggio significativo agli specialisti della CVD per catturare gran parte del valore della produzione di materiali 2D.
1. Veeco
(VECO )
Veeco è stato un fornitore importante di attrezzature per l’industria della produzione di semiconduttori sin dalla sua fondazione nel 1945. Le sue macchine sono utilizzate nella produzione di chip EUV avanzati, antenne 5G, hard disk, LIDAR, LED, elettronica di potenza per veicoli elettrici, ecc.
Fonte: Veeco
L’obiettivo tecnologico principale dell’azienda è lo stesso processo CVD usato per la produzione di borofene, o più precisamente, MOCVD (Deposizione Chimica da Vapore Metal‑Organica).
Fonte: Veeco
Come leader in questo segmento di nicchia dell’industria dei semiconduttori, Veeco potrebbe essere un buon candidato su cui scommettere per la crescita delle applicazioni CVD.
Una tale crescita potrebbe derivare dall’aumento dell’uso di grafene, tungsteno e borofene, man mano che miglioriamo la capacità di manipolare la materia a livello atomico.
Probabilmente beneficerà anche delle tendenze massicce di digitalizzazione, IA e elettrificazione, sia che utilizzi presto i materiali 2D su larga scala o meno.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG è un produttore di grafene che ha focalizzato la sua offerta di prodotti su prodotti a base di grafene già dimostrati, come rivestimenti termici e lubrificanti.
Questo rende GMG un’opzione interessante per gli investitori che cercano un’esposizione diretta al mercato del grafene e un’azienda già attiva nella produzione di massa di grafene e nel miglioramento del metodo di produzione attuale.
Fonte: GMG
Alcune ulteriori applicazioni potrebbero essere la creazione di semiconduttori in grafene (vedi “Semiconduttori in grafene – Sono finalmente qui?”), o persino superconduttori a temperatura ambiente. Il rivestimento in grafene potrebbe anche trovare impiego in batterie e per tecnologie di contenitori a pressione di idrogeno.
Fonte: GMG
GMG produce il suo grafene da metano + idrogeno, a differenza della maggior parte dei concorrenti, che lo producono da depositi naturali di grafite. Questo consente una purezza più elevata, una maggiore scalabilità e una produzione a basso costo.
L’azienda ha avviato il suo primo impianto di produzione in Australia nel 2023, con una capacità fino a 1 milione di litri di produzione di rivestimenti per scambiatori di calore all’anno.
Il prossimo passo per l’azienda sarà la sua tecnologia di batterie basata su ioni di alluminio in grafene, con una densità di 290 Wh/kg, 60 volte più veloce nella ricarica rispetto alle batterie al litio‑ione, 3 volte la durata della batteria e un profilo di rischio d’incendio migliore.
Fonte: GMG
Questo ingresso nel mercato delle batterie potrebbe rappresentare una grande scommessa per GMG, ma offre anche una prospettiva unica sul futuro mercato che potrebbe aprirsi per il grafene, inclusi i veicoli elettrici e altre applicazioni legate all’energia.
