L’effetto fisarmonica del grafene potenzia il futuro della tecnologia indossabile

Solo circa due decenni fa è stato scoperto il grafene. In così poco tempo, questo “materiale miracoloso” è diventato parte integrante dell’elettronica e della tecnologia dei semiconduttori, dell’accumulo di energia, della gestione termica, della scienza dei materiali e di altri settori. 

Fin dal momento in cui i professori Kostya Novoselov e Andre Geim dell’Università di Manchester hanno isolato e caratterizzato il grafene nel 2004, per il quale hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010, il materiale è rimasto uno dei campi di ricerca più entusiasmanti nell’elettronica.

Il grafene è un materiale bidimensionale (2D) costituito da un foglio estremamente sottile di un solo strato di atomi di carbonio. Esso mostra proprietà notevoli, tra cui leggerezza, altissima conduttività elettrica e forte resistenza meccanica.

Ora, i ricercatori hanno scoperto una nuova proprietà del grafene usando un metodo unico.

L’effetto fisarmonica: rendere il grafene molto allungabile 

Guidato da Jani Kotakoski, il team di fisici dell’Università di Vienna ha reso il grafene, per la prima volta, notevolmente più allungabile facendolo comportare come una fisarmonica. Questa nuova proprietà è stata rivelata in un ambiente di misura pulito e privo d’aria.

Le ondulazioni nel grafene lo rendono allungabile, aprendo la strada al suo utilizzo nei dispositivi indossabili, dove i materiali devono piegarsi e muoversi con il corpo mantenendo al contempo un funzionamento affidabile.

Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters¹, lo studio è stato condotto in collaborazione con l’Università Tecnica di Vienna ed è stato finanziato dall’Austrian Science Fund (FWF).

Il team di ricercatori ha condotto esperimenti che hanno chiarito che l’estrema rigidità del grafene è dovuta agli atomi del materiale disposti in una struttura a nido d’ape; pertanto, rimuovere alcuni atomi insieme ai loro legami ne riduce la rigidità. 

Studi scientifici hanno effettivamente riportato contraddizioni; sia una lieve riduzione che un aumento significativo.

L’ultimo studio ha chiarito questo grazie all’uso di dispositivi avanzati, che condividevano lo stesso ambiente pulito e privo d’aria. Secondo Katokoshi:

“Questo sistema unico che abbiamo sviluppato all’Università di Vienna ci permette di esaminare i materiali 2D senza interferenze.” 

L’ambiente pulito e privo d’aria consente di trasportare i campioni tra i diversi dispositivi senza esporli all’aria ambientale.

“Per la prima volta questo tipo di esperimento è stato eseguito con il grafene completamente isolato dall’aria ambientale e dalle particelle estranee che contiene. Senza questa separazione, queste particelle si depositerebbero rapidamente sulla superficie influenzando la procedura dell’esperimento e le misurazioni.”

– Wael Joudi, primo autore dello studio

Questo focus sulla pulizia della superficie del materiale ha effettivamente portato alla scoperta dell’effetto fisarmonica in associazione con la rigidità del grafene.

Rimuovere due atomi vicini provoca già un evidente rigonfiamento del materiale inizialmente piatto. Diversi di questi rigonfiamenti insieme portano a una corrugazione del materiale.

“Puoi immaginarlo come una fisarmonica. Quando viene allungato, il materiale ondulato si appiattisce, richiedendo molta meno forza rispetto allo stiramento del materiale piatto e quindi diventa più allungabile.” 

– Joudi

La formazione di onde e la successiva allungabilità sono state confermate dalle simulazioni condotte da Florian Libisch e Rika Saskia Windisch, fisici teorici dell’Università Tecnica di Vienna.

Lo studio ha riportato di aver osservato una diminuzione della resistenza del materiale alla deformazione elastica, passando da 286 a 158 N/m. La diminuzione è “significativamente maggiore” non solo rispetto a quanto previsto dalla maggior parte degli studi, ma anche rispetto ad alcune misurazioni presentate, a causa delle corrugazioni prodotte da tensioni locali nei vuoti con almeno due atomi mancanti.

Gli esperimenti condotti dal team hanno ulteriormente dimostrato “che l’effetto opposto può essere misurato quando la contaminazione superficiale non viene rimossa prima dell’ingegneria dei difetti.”

Quindi, le particelle estranee sulla superficie del materiale sopprimono effettivamente questo effetto e creano persino un risultato opposto. In particolare, l’influenza di queste particelle ha reso il grafene ancora più rigido, il che chiarisce le contraddizioni riportate da esperimenti precedenti. Secondo Joudi:

“Questo dimostra l’importanza dell’ambiente di misura quando si lavora con materiali 2D. I risultati aprono una via per regolare la rigidità del grafene e quindi spianano la strada a potenziali applicazioni.” 

Spingere i confini del grafene con scoperte all’avanguardia

La tecnologia indossabile è un settore in rapida crescita, con una previsione di superare i 150 miliardi di dollari prima della fine del decennio.

Un componente chiave dei dispositivi indossabili come smartwatch, anelli, occhiali, braccialetti, tatuaggi intelligenti, gioielli, tessuti, bende, mascherine e regolatori di glucosio in tempo reale sono i sensori, che facilitano la rilezione dei dati biometrici, raccolgono informazioni e si adattano alle esigenze del corpo.

Lo sviluppo rapido di dispositivi elettrici flessibili e percepibili ha portato a sensori indossabili basati su grafene, noti per il loro grande potenziale nel rendere le strutture sanitarie più accessibili e migliorare la qualità delle attività di rilevamento.

A differenza dei semiconduttori tradizionali, rigidi e con proprietà optoelettroniche limitate, e dei metalli, che possono essere costosi, tossici e subire un degrado delle prestazioni sotto stress meccanico, le proprietà intrinseche del grafene lo rendono altamente adatto per costruire dispositivi indossabili a basso costo e multifunzionali.

L’ultimo studio ci ha mostrato l’incredibile capacità del materiale in questi dispositivi grazie al notevole aumento della sua allungabilità. Ma non è la prima volta; nel corso degli anni, numerosi studi hanno investigato il ruolo del grafene negli indossabili per vari motivi e hanno fatto molte nuove scoperte al riguardo.

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Sensore di deformazione indossabile basato su grafene 

L’anno scorso, i ricercatori sviluppato² un sensore di deformazione indossabile usando il grafene che può rilevare e trasmettere il parlato silenzioso.

Il collare “intelligente” costruito da ricercatori dell’Università di Cambridge cattura i micromovimenti nella gola, che vengono rilevati dal sensore di deformazione come segnale elettrico e poi inviati a modelli software per l’elaborazione e il riconoscimento vocale. Può persino captare parole pronunciate silenziosamente e trasmetterle.

Il dispositivo indossabile ha una struttura distintiva, caratterizzata da crepe ordinate su tessuti rivestiti di grafene, che aumentano significativamente la sensibilità. Lo strato di grafene strutturato sovrastante è stato applicato a un sensore di deformazione tessile integrato.

Il metodo di fabbricazione della tecnologia è anche semplice, scalabile, a basso costo e biocompatibile. Il dispositivo è adattabile a un uso prolungato e può sopportare oltre 10.000 cicli di allungamento‑rilascio mantenendo una funzionalità elettrica stabile e affidabile.

Rispondendo dinamicamente ai micromovimenti della gola, può catturare segnali vocali ricchi di informazioni, che vengono elaborati tramite una rete neurale, con una precisione record del 95,25% nella decodifica del parlato.

Il dispositivo, secondo i ricercatori, ha il potenziale di ridefinire il campo delle interfacce di parlato silenzioso (SSI), che coinvolgono soluzioni all’avanguardia per consentire la comunicazione verbale senza vocalizzazione.

Combinare il grafene con la seta per l’elettronica flessibile

In un altro studio, i ricercatori del Dipartimento di Energia del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno sviluppato uno strato 2D uniforme di “fibroine” o frammenti di proteina della seta sul grafene.

L’uso della proteina della seta nell’elettronica di design non è nuovo, ma è limitato a causa del groviglio disordinato di fibre di seta. Perciò, l’aggiunta del grafene.

Silk‑on‑graphene potrebbe potenzialmente creare un transistor sensibile e regolabile molto ricercato per sensori sanitari e indossabili. Può anche fungere da elemento cruciale nei “memristori”, utilizzati nelle reti neurali e che consentono ai computer di imitare il funzionamento del cervello umano.

La seta è stata oggetto di numerose ricerche come mezzo per modulare i segnali elettronici, ma ottenere il controllo non è facile. Pertanto, il team del PNNL ha controllato attentamente le condizioni di reazione aggiungendo con precisione singole fibre di seta al sistema a base d’acqua che ha creato uno strato 2D altamente organizzato di proteine impacchettate in β‑sheet paralleli.

Questo è solo il primo passo nella stratificazione controllata della seta su componenti elettronici funzionali, con la ricerca futura focalizzata sul miglioramento della stabilità e della conduttività dei circuiti integrati con seta.

Un impianto “tatuaggio” di grafene per trattare battiti cardiaci irregolari

Nel frattempo, ricercatori dell’Università del Texas ad Austin (UT) e della Northwestern University hanno sviluppato il primo impianto cardiaco usando il grafene per trattare l’aritmia cardiaca.

Tali disturbi si verificano quando il cuore batte troppo lentamente o troppo rapidamente e, in molti casi, possono portare a ictus, insufficienza cardiaca e persino morte improvvisa. Per trattare l’aritmia, i medici solitamente usano pacemaker impiantabili che rilevano i battiti irregolari e utilizzano stimolazioni elettriche per correggere il ritmo.

Questi dispositivi richiedono materiali duri e rigidi che non sono meccanicamente compatibili con il corpo e, quindi, sono difficili da fissare alla superficie del cuore. Possono causare disagio temporaneo, lesioni ai tessuti molli, limitare i movimenti naturali e indurre complicazioni.

Al contrario, il nuovo impianto biocompatibile creato è un “tatuaggio” di grafene, che nell’aspetto è simile a un tatuaggio temporaneo. È più sottile di un singolo capello, ma funziona come un pacemaker classico.

Il nuovo dispositivo sottile si fonde delicatamente al cuore per rilevare e trattare i battiti irregolari. È sufficientemente flessibile da adattarsi alle delicate curve del cuore e abbastanza resistente da gestire i movimenti dinamici di un cuore che batte.

“Per ragioni di biocompatibilità, il grafene è particolarmente attraente. Il carbonio è la base della vita, quindi è un materiale sicuro già utilizzato in diverse applicazioni cliniche. È anche flessibile e morbido, il che lo rende adatto come interfaccia tra l’elettronica e un organo morbido e meccanicamente attivo.”

– Igor Efimov, autore senior

Per racchiudere il tatuaggio di grafene e farlo aderire alla superficie di un cuore pulsante, il grafene è stato incapsulato all’interno di una membrana elastica di silicone con un foro per accedere all’elettrodo di grafene. Un nastro d’oro spesso 10 micron è stato poi posizionato sullo strato di incapsulamento come collegamento tra il grafene e l’elettronica esterna utilizzata per misurare e stimolare il cuore.

Lo spessore totale risultante del dispositivo era di circa 100 micron e ha mantenuto la stabilità per 60 giorni, comparabile alla durata dei pacemaker temporanei.

Per testare il dispositivo, i ricercatori lo hanno impiantato in un ratto e hanno scoperto che può rilevare con successo ritmi cardiaci irregolari e poi fornire stimolazione elettrica tramite una serie di impulsi senza influenzare i movimenti naturali del cuore.

È notevole che la tecnologia è otticamente trasparente, il che significa che i ricercatori possono utilizzare una sorgente luminosa esterna per registrare e stimolare il cuore attraverso il dispositivo. Questo offre un approccio innovativo per identificare e trattare malattie cardiache e crea nuove opportunità per l’optogenetica.

Even Imperfect Graphene Has Big Benefits

Meno di due anni fa, ricercatori dell’Università Tecnica di Vienna hanno effettivamente sviluppato un modello computerizzato di strutture di grafene realistiche, che ha mostrato che le eccellenti proprietà elettroniche del grafene sono molto stabili. Ciò significa che anche pezzi di grafene non perfetti possono essere utilizzati per applicazioni tecnologiche.

Quindi, la propagazione della corrente elettrica nel grafene è calcolata a livello atomico in un piccolo frammento. Il professor Florian Libisch dell’Istituto di Fisica Teorica della TU Wien ha spiegato all’epoca che gli elettroni hanno diversi modi per muoversi attraverso il materiale e, non solo, possono percorrere più percorsi contemporaneamente, che possono sovrapporsi in modi diversi.

I percorsi si annullano a valori energetici molto specifici, in cui la probabilità che gli elettroni attraversino il pezzo di grafene è estremamente bassa e la corrente elettrica è minima, fenomeno chiamato “interferenza distruttiva”.

La drammatica diminuzione del flusso di corrente a valori energetici molto specifici è “un effetto altamente desiderabile dal punto di vista tecnologico”, che può essere usato per elaborare informazioni su scala ridotta, proprio come fanno i componenti elettronici nei chip dei computer, e per lo sviluppo di nuovi sensori quantistici.

Non è così semplice, però, poiché le dimensioni e la forma del pezzo di grafene non sono sempre le stesse. Altri fattori come atomi indesiderati, atomi instabili e numerose interazioni tra diversi elettroni, molto difficili da calcolare, devono essere considerati per “descrivere il materiale grafene in modo veramente realistico.”

Quindi, i ricercatori hanno combinato i loro anni di esperienza nella descrizione accurata di diversi effetti nei materiali nei modelli computazionali per sviluppare un modello completo che includa tutte le fonti di errore e gli effetti di perturbazione presenti nei grafeni. Questo ha permesso loro di dimostrare che gli effetti desiderati sono visibili anche in presenza di fonti di errore.

Lo studio è stato importante nel dimostrare il potenziale dell’uso controllato degli effetti quantistici nel grafene.

Trasformare il grafene in minuscoli magneti

In mezzo a tutto ciò, esperti tedeschi hanno aggiunto un ulteriore aspetto alle diverse proprietà del grafene, dimostrando il potenziale del materiale in interruttori magnetici e dispositivi di memorizzazione.

Ricercatori dell’Università di Duisburg‑Essen (UDE) hanno condotto esperimenti presso l’Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), dove hanno sparato brevi impulsi terahertz (THz) su minuscoli dischi del materiale, trasformandoli brevemente in magneti molto potenti. Questa scoperta potrebbe rivelarsi utile per lo sviluppo di futuri interruttori magnetici e dispositivi di memorizzazione.

Quindi, ciò che gli scienziati hanno fatto è stato utilizzare metodi semiconduttori esistenti per posizionare migliaia di dischi di grafene delle dimensioni di micrometri (μm) su un piccolo chip, che è stato poi sottoposto a brevi impulsi terahertz, tipo di radiazione che si colloca tra le microonde e l’infrarosso.

Come sorgente luminosa, hanno utilizzato un laser a elettroni liberi FELBE presso l’HZDR, capace di produrre impulsi terahertz ultra‑intensi.

Oltre ai dischi di grafene di dimensioni micrometriche che si trasformano in elettromagneti, il team ha generato campi magnetici nell’ordine di 0,5 Tesla (TSLA ), circa 10 000 volte il campo magnetico terrestre, che sono durati solo dieci picosecondi, ovvero un centesimo di miliardesimo di secondo.

Per ottenere questo successo, tuttavia, i ricercatori hanno dovuto polarizzare gli impulsi terahertz in modo particolare. Qui, ottiche specializzate hanno modificato la direzione dell’oscillazione della radiazione in modo che si muovesse ellicamente nello spazio.

Quando gli impulsi polarizzati circolarmente colpiscono i minuscoli dischi, gli elettroni liberi al loro interno iniziano a ruotare, trasformando sostanzialmente i dischi in piccoli elettromagneti.

Il processo semplice e altamente efficiente, secondo i ricercatori, potrebbe essere usato per esperimenti scientifici al fine di ottenere una comprensione più dettagliata delle proprietà dei materiali. È notevole che il campo magnetico è rimasto unipolare, il che lo rende vantaggioso per alcuni esperimenti.

In futuro, questi minuscoli magneti potrebbero trovare applicazione nella tecnologia di memorizzazione magnetica e nello spintronica.

Investire nel grafene

Una società che spicca nel settore del grafene è CVD Equipment Corporation (CVV ). L’azienda progetta e produce sistemi utilizzati nella deposizione chimica da vapore, una tecnica chiave per produrre grafene di alta qualità. E man mano che le industrie continuano a esplorare applicazioni reali del grafene, soprattutto nell’elettronica e nella scienza dei materiali, il focus di nicchia di CVD potrebbe conferirle un vantaggio strategico con l’aumento della domanda.

CVD Equipment Corporation (CVV )

CVD Equipment, con sede negli Stati Uniti, sviluppa sistemi di deposizione chimica da vapore (CVD), utilizzati per creare materiali avanzati come il grafene, nonché rivestimenti impiegati nei settori dell’energia, dell’aerospazio e di altri settori.

Offre anche ricerca e sviluppo sul grafene e attrezzature di produzione specializzate per produrre grafene di alta qualità su larga scala.

L’azienda opera attraverso due segmenti. Il primo è CVD Equipment, che progetta e produce apparecchiature per il trasporto di vapore fisico, la deposizione chimica da vapore e processi termici. Il secondo è Stainless Design Concepts (SDC), il cui focus è sui sistemi di controllo della consegna di gas e sostanze chimiche ad ultra‑alta purezza.

Per quanto riguarda la performance di mercato delle azioni CVD, al momento della stesura, il prezzo è di $2,84, in calo del 34% su base annua. Con ciò, ha raggiunto una capitalizzazione di mercato di $20 milioni con un EPS (TTM) di -0,28 e un P/E (TTM) di -10,43.

Per quanto riguarda i dati finanziari, CVD ha registrato un fatturato di $26,9 milioni per l’intero anno 2024, con un aumento dell’11,5% su base annua. Questo è stato principalmente guidato da un aumento dei ricavi da contratti aerospaziali in corso, dal segmento SDC e dagli $0,8 milioni di vendite finali del segmento MesoScribe, che ha chiuso le sue operazioni lo scorso anno.

Il margine di profitto lordo di CVD Equipment è aumentato del 2,6% raggiungendo il 23,6% nel 2024. La perdita operativa per il periodo è stata di $2,4 milioni, e la perdita netta di $1,9 milioni, ovvero $0,28 per azione base e diluita.

L’anno scorso, l’azienda ha registrato anche un aumento dell’8,9% nelle prenotazioni di nuovi ordini, che hanno raggiunto $28,1 milioni, mentre il backlog alla fine dell’anno era di $19,4 milioni.

“Durante il 2024 continuiamo a osservare una costante ripresa del nostro mercato aerospaziale e della difesa,” ha dichiarato il CEO Manny Lakios, osservando che il mercato del carburo di silicio rimane “sfidante a causa della sovracapacità e del calo globale dei prezzi dei wafer.”

Ultime notizie su CVD Equipment Corporation

Conclusione

Conosciuto per la sua leggerezza, flessibilità, resistenza e alta conduttività elettrica, il grafene è stato ampiamente studiato e utilizzato per applicazioni nei settori dell’energia, dell’elettronica e della salute.

Come abbiamo osservato sopra, diversi sviluppi entusiasmanti, come i collari per il parlato silenzioso e i tatuaggi per il monitoraggio cardiaco, stanno costantemente ampliando il mondo del grafene. Ora, l’ultima scoperta dell’effetto fisarmonica nel grafene aggiunge un’ulteriore proprietà: una maggiore allungabilità, che dimostra la compatibilità di questo materiale magico con i dispositivi indossabili.

Combinato con le sue proprietà elettriche, meccaniche e biocompatibili superiori, il grafene è un materiale altamente promettente per alimentare i prossimi dispositivi indossabili intelligenti di nuova generazione!

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Studi citati:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Ammorbidimento meccanico dominato dalla corrugazione del grafene ingegnerizzato con difetti. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Sensori di deformazione tessili ultrasensibili ridefiniscono le interfacce di parlato silenzioso indossabili con alta efficienza di apprendimento automatico. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1