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 composta da materiali 3D. I materiali solidi sono spesso composti da atomi organizzati in strutture 3D pre-determinate che formano metalli e cristalli o da atomi disorganizzati che formano altre cose.
Per molto tempo, si è ritenuto che questo fosse l’unico modo in cui la materia poteva essere organizzata per formare oggetti solidi. Ma 20 anni fa (2004), due ricercatori dell’Università di Manchester, Andre Geim e Professor Kostya Novoselov, scoprirono un materiale 2D, il grafene. Lo scoprirono quasi per caso quando si resero conto che un semplice nastro adesivo applicato al grafite (ciò che compone le punte delle matite) creava uno strato monoatomico di carbonio.
Ciò gli valse nel 2010 il Premio Nobel per la Fisica.
Il grafene è composto da atomi di carbonio, ma invece di essere in forma disorganizzata (grafite) o cristallo organizzato (diamanti), nel grafene gli atomi di carbonio sono allineati in uno strato monoatomico, come una carta ultra-sottile. Hanno anche scoperto che è possibile formare materiali 1 o 0 dimensionali, come nanotubi o punti quantici.
Source: Ossila
Ciò che rende speciali i materiali 2D è che questa configurazione unica si accompagna a proprietà fisiche uniche.
Ad esempio, il grafene è estremamente conduttivo, con elettroni in grado di circolare al 1/300esimo della velocità della luce. È anche un buon conduttore termico e ha la più alta resistenza tensile di qualsiasi materiale, nonostante sia otticamente trasparente, assorbendo solo il 2% della luce visibile incidente.
Source: Visual Capitalist
Molto più del grafene
Le proprietà uniche del grafene lo hanno reso immediatamente l’obiettivo di migliaia di ricercatori ansiosi di svelare le sue proprietà elettriche, chimiche e fisiche uniche.
Tuttavia, altri hanno iniziato a chiedersi se altri elementi oltre al carbonio potessero creare materiali 2D. La risposta è sì, con previsioni teoriche che promettono centinaia di diversi materiali 2D potenziali. Tra i materiali 2D più importanti e studiati oltre al grafene, possiamo citare:
- Borofene, composto da atomi di boro, scoperto solo nel 2015.
- Goldene, composto da atomi d’oro, prodotto per la prima volta nel 2024.
- Silicene, composto da atomi di silicio.
- Fosforene, composto da atomi di fosforo.
Sembra anche che i materiali 2D non debbano essere composti da un solo elemento puro, ad esempio strati monomolecolari di disolfuro di molibdeno (MoS2) o nitrato di silicio (Si3N4).
Altri atomi possono anche essere attaccati allo strato monomolecolare, creando una superficie “rugosa”, come quando si aggiunge idrogeno agli atomi di carbonio del grafene per formare grafano.
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A causa di questa estrema diversità di materiali, i ricercatori stanno solo iniziando a scoprire il potenziale dei materiali 2D.
Applicazioni – Aspetti fondamentali
In generale, ciò che rende unici i materiali 2D è che la loro struttura atomica molto organizzata consente una configurazione unica dei loro elettroni e un legame stretto tra gli atomi.
Ciò a sua volta spiega la conducibilità elettrica eccezionale (flusso di elettroni), la conduzione termica (trasferimento dei livelli di energia tra gli atomi) e la resistenza fisica (legami covalenti tra gli atomi a causa dello scambio di elettroni).
La struttura 2D dà anche a questi materiali la più alta area di superficie specifica (superficie in cui sono possibili le interazioni) di tutti i materiali noti. Ciò li rende candidati eccellenti per nuove forme di catalizzatori o, in generale, per partecipare a reazioni chimiche ed elettriche.
Superconduttori
Poiché gli elettroni fluiscono quasi interamente 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 significa anche che una corrente che passa attraverso il materiale non genera alcun calore. Ciò può renderlo incredibilmente utile per tutti i tipi di applicazioni, dalla computazione ai veicoli elettrici e virtualmente ogni tecnologia che utilizza elettricità.
In teoria, la superconduttività, in particolare la superconduttività a temperatura ambiente, potrebbe consentire di dominare la fusione nucleare, di propellere navi con elettricità, di realizzare treni a levitazione magnetica economici e veloci, di realizzare motori a basso costo per raggiungere l’orbita, ecc. (Abbiamo esplorato più in dettaglio la questione dei superconduttori a temperatura ambiente nel nostro articolo dedicato).
Molti materiali 2D potrebbero mostrare superconduttività nelle giuste condizioni (ad esempio, temperatura, pressione, ecc.), tra cui:
- Pellicole metalliche ultrasottili.
- Cuprati.
- Ossidi perovskitici.
- Composti di metalli rari con fermioni pesanti.
- Grafene.
- Seleniuro di ferro su superfici di ossido.
- Conduttori organici su superfici metalliche.
Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali in grado di passare da uno stato conduttivo (che trasferisce elettroni) a uno stato isolante (che blocca gli elettroni). Ciò è il principio fondamentale attorno al quale sono costruiti i transistor e gli altri elementi di calcolo in silicio, con 0 che rappresenta l’assenza di corrente elettrica e 1 la presenza di corrente.
Quanto più velocemente un semiconduttore può cambiare stato, tanto più veloce può essere il calcolo associato.
Grafene
Inizialmente, i ricercatori che studiavano il grafene pensavano che potesse sostituire il silicio nei semiconduttori. Purtroppo, manca di una caratteristica elettronica fondamentale chiamata “gap di banda”.
Un gap di banda è ciò che determina se un materiale sarà considerato un metallo (conduttore di elettricità), un isolante (blocco di elettricità) o un semiconduttore (che può passare da conduttivo a isolante).
Source: Energy Education
Il problema è che il grafene non ha alcun gap di banda.
Ciò era vero fino al 2024, quando i ricercatori annunciarono di aver creato il primo semiconduttore al mondo fatto di grafene.
“Ora abbiamo un semiconduttore di grafene estremamente robusto con una mobilità dieci volte superiore a quella del silicio e che ha anche proprietà uniche non disponibili nel silicio.
“Avevamo bisogno di imparare a trattare il materiale, a renderlo sempre migliore e, infine, a misurare le proprietà. Ciò ha richiesto molto, molto tempo.”
Goldene
Un altro materiale 2D di interesse è il goldene, essenzialmente il grafene ma con atomi d’oro al posto degli atomi di carbonio.
L’oro è già comunemente utilizzato nei chip e nei componenti informatici grazie alle sue proprietà straordinarie, come la resistenza all’ossidazione e la conducibilità elettrica molto alta.
Con la produzione nel 2024 del primo strato monomolecolare di goldene, le proprietà dei semiconduttori potrebbero essere aggiunte all’elenco.
“Se si rende un materiale estremamente sottile, accade qualcosa di straordinario – come nel caso del grafene. La stessa cosa accade con l’oro. Come si sa, l’oro è normalmente un metallo, ma se uno strato è spesso un atomo, allora l’oro può diventare un semiconduttore al posto di un metallo.”
Semiconduttori organici
Le molecole organiche sono composte da uno scheletro di carbonio, insieme ad altri elementi, comunemente ossigeno, azoto, zolfo, ecc.
Source: POSTECH
Hanno quindi utilizzato un passaggio chiamato drogaggio di tipo p, comunemente utilizzato nella produzione di semiconduttori.
Ciò si riferisce all’aggiunta di elementi a un materiale semiconduttore per renderlo ancora più conduttivo.
Source: Wikipedia by VectorVoyager
Il materiale risultante è stato descritto dai ricercatori come avente “conducibilità elettrica eccezionale”.
Quindi, anche se in qualche modo materiali come il grafene sono troppo difficili da produrre in massa in una configurazione di semiconduttore, o il goldene è troppo costoso, i semiconduttori organici saranno probabilmente lì per consentire l’adozione di semiconduttori 2D nel prossimo futuro.
Super-materiali
Mentre le proprietà elettriche sono al centro dell’interesse degli scienziati per i 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, nel modo in cui l’acciaio è integrato 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 alla “marcita del calcestruzzo” causata dall’ossidazione del ferro, che limita gravemente la durata dei manufatti in calcestruzzo.
La resistenza estrema + il peso leggero del grafene e degli altri materiali 2D potrebbero anche essere utilizzati per creare una migliore armatura per il corpo.
Un altro campo di applicazione può essere la gestione termica. Ad esempio, i ricercatori hanno recentemente scoperto che è possibile produrre un materiale che è sia isolante che rigido creando perovskiti ibride organiche-inorganiche 2D.
Materiali 2D come grafene e nitruro di boro esagonale potrebbero anche essere utilizzati per dissipare il calore nei dispositivi elettronici e optoelettronici.
Infine, materiali 2D avanzati e ultra-resistenti potrebbero essere utilizzati per realizzare infrastrutture futuristiche, come ad esempio ascensori spaziali. Tuttavia, tali passi saranno realistici solo una volta che avremo capito come produrre questi materiali non solo per grammi o chili, ma per milioni di tonnellate.
Biotecnologie
Un livello di superficie molto alto, uno strato estremamente sottile e proprietà chimiche uniche rendono i materiali 2D buoni candidati per molte applicazioni di nicchia nell’industria biotecnologica e medica.
Ciò include la consegna di farmaci, l’imaging, la progettazione di tessuti, i biosensori e i sensori di gas.
Un altro fattore nell’emergere dei materiali 2D nelle applicazioni biologiche è la recente scoperta che consente di conferire loro una caratteristica chiamata chirality.
La chirality è un termine chimico che significa che le molecole hanno una simmetria sinistra-destra. La chirality è una caratteristica importante delle molecole organiche, ad esempio gli aminoacidi che sono i mattoni fondamentali delle proteine.
Source: UC Santa Barbara
Le molecole possono esistere in due versioni che non possono essere perfettamente abbinate, come in un guanto sinistro e destro. Possono specchiarsi perfettamente, ma un guanto sinistro non si adatterà alla mano destra come si adatta alla mano sinistra.
Pr. Dipanjan Pan
Recentemente, i ricercatori hanno sintetizzato placchette di borofene, simili a come i frammenti di borofene potrebbero entrare nel flusso sanguigno. Hanno scoperto che le proprietà chirali delle diverse versioni del borofene interagivano diversamente con le membrane cellulari e penetravano nelle cellule in modo diverso.
Ciò apre la strada alla progettazione di strutture di borofene personalizzate per applicazioni come lo “sviluppo di immagini mediche ad alta risoluzione con contrasto che potrebbe tracciare con precisione le interazioni cellulari o una migliore consegna di farmaci con interazioni materiale-cellula mirate.”
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 valutazione, sembra che il grafene possa essere inalato 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 utilizzati per sviluppare sensori biologici o alimentare nanorobot nel nostro flusso sanguigno.
Limitazioni
Produzione su larga scala
Anche il materiale 2D più stabilito e scoperto per primo, il grafene, è ancora molto di dominio dei laboratori e delle startup.
Ciò è perché produrlo su larga scala è ancora una proposta difficile.
L’applicazione di nastro adesivo su un pezzo di grafite è stata sufficiente per scoprire il grafene. Ma metodi più complessi come la deposizione chimica da vapore (CVD) sono necessari per la produzione di massa.
Ciò sta diventando lentamente più una realtà, con ad esempio la pubblicazione di un processo per la produzione di grafene ad alta purezza mediante CVD senza ossigeno.
Incollaggio
Un altro problema con i materiali 2D è che, poiché sono così sottili e unici chimicamente, possono essere difficili da incollare su altri materiali.
Spesso richiede tecniche specializzate per far aderire uno strato di grafene a chip per computer, a una fonte di alimentazione o a un dispositivo medico.
Ciò può essere molto più lungo e richiedere più 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 ai dispositivi esistenti sono principalmente su piccola scala o su misura, i materiali 2D sono rimasti piuttosto costosi.
Il prezzo effettivo può variare notevolmente a seconda della purezza, ad esempio il grafene può variare tra 20-2.000/kg.
Ciò significa che anche al prezzo più economico, il grafene è ancora 20 volte più costoso dell’acciaio. Inoltre, per raggiungere prestazioni accettabili nel sostituire l’acciaio, probabilmente è necessaria più della purezza minima possibile.
Aziende di materiali 2D
Il campo dei materiali 2D sta evolvendo molto rapidamente, con nuove opzioni come il goldene scoperte regolarmente e nuove intuizioni su come ottimizzare “vecchi” materiali come il grafene trasformato in semiconduttore.
Questi prodotti diventeranno probabilmente un settore economico importante solo una volta prodotti su larga scala utilizzando metodi industriali.
Quindi, il metodo più avanzato e documentato è la CVD, dando un vantaggio significativo ai specialisti della CVD per catturare gran parte del valore della produzione di materiali 2D.
1. Veeco
(VECO )
Veeco è stato un importante fornitore di attrezzature per l’industria della produzione di semiconduttori fin dalla sua fondazione nel 1945. Le sue macchine sono utilizzate nella produzione di chip avanzati EUV, antenne 5G, dischi rigidi, LIDAR, LED, dispositivi elettronici per veicoli elettrici, ecc.
Source: Veeco
La principale tecnologia dell’azienda è lo stesso processo CVD utilizzato per la produzione del borofene, o più precisamente, la deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD).
Source: Veeco
In quanto leader in questo settore di nicchia dell’industria dei semiconduttori, Veeco potrebbe essere un buon candidato per scommettere sulla crescita di ulteriori applicazioni della CVD.
Tale crescita potrebbe derivare dall’aumento dell’uso del grafene, del tungsteno e del borofene, man mano che miglioriamo la nostra capacità di manipolare la materia a livello atomico.
Trarrà anche vantaggio dalle grandi tendenze di digitalizzazione, intelligenza artificiale ed elettrificazione, sia che utilizzi ampiamente materiali 2D in futuro o meno.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
GMG è un produttore di grafene che ha concentrato la sua offerta di prodotti su prodotti basati sul grafene già dimostrati, come rivestimenti termici e lubrificanti.
Ciò 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 del grafene e nel miglioramento del metodo di produzione attuale.
Source: GMG
Alcune ulteriori applicazioni potrebbero essere la creazione di semiconduttori di grafene (vedi “Semiconduttori di grafene – Sono finalmente qui?“), o anche superconduttori a temperatura ambiente. Il rivestimento di grafene potrebbe anche trovare un uso nelle batterie e nelle tecnologie di contenitori per idrogeno a pressione.
Source: GMG
GMG produce il suo grafene da metano + idrogeno, il che differisce dalla maggior parte dei suoi concorrenti, che lo producono da depositi naturali di grafite. Ciò consente una purezza più alta, una maggiore scalabilità e una produzione a basso costo.
L’azienda ha lanciato la sua prima fabbrica di produzione in Australia nel 2023, con una capacità di produzione di rivestimenti per scambiatori di calore fino a 1 milione di litri all’anno.
Il prossimo passo per l’azienda sarà la sua tecnologia di batterie basata su ioni di alluminio e grafene, con una densità di 290 Wh/kg, una carica 60 volte più veloce delle batterie al litio, una durata della batteria 3 volte superiore e un miglior profilo di rischio di incendio.
Source: GMG
Questo ingresso nel mercato delle batterie potrebbe essere un grande azzardo per GMG, ma dà anche all’azienda una prospettiva unica sul mercato futuro che potrebbe aprirsi per il grafene, compreso l’uso in veicoli elettrici e altre applicazioni di potenza.
