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Un “twist” per il grafene

 By Eniday Staff

Di norma, i nuovi vocaboli, spesso storpiati dall’inglese, si impongono perché promossi dalle mode o dalle abitudini, quasi sempre a partire da processi informatici, per cui si modellano parole su gesti che altrimenti faticheremmo a definire con altrettanta precisione e rapidità…

Iniziamo con due esempi: apporre un baffetto con la penna o la matita o attraverso l’analoga simulazione offerta dal mouse in un quadratino per affermare una propria intenzione, si dice “flaggare”; la disciplina che coniuga le conoscenze industriali nei settori delle meccanica, dell’elettronica e dell’informatica al fine di realizzare macchinari che eseguono operazioni complesse si chiama “meccatronica”. Ma, allora, come dovremmo chiamare una disciplina che consiste nell’utilizzare diversi strati di un materiale mettendo fuori asse le molecole che li costituiscono per ottenere un sistema caratterizzato da comportamenti molto differenti? Risposta: la “twistronica”, da to twist, in italiano, torcere (o ballare torcendo le gambe, come esortava Chubby Checker nel lontano 1960).

Twistronica e grafene

E twistronica è. Soprattutto dallo scorso 30 ottobre, quando su Nature è comparso un articolo che riferisce dei più recenti studi condotti sul comportamento del grafene da parte di una equipe di ricerca internazionale guidata da Dmitri Efetov, professore all’ICFO – Institute of Photonic Sciences, un centro di ricerca d’eccellenza spagnolo indirizzato alla scienza e alla tecnologia della luce. In due parole: con il grafene si possono fare molte più cose di quello che si pensava. Si tratta, come forse molti ricorderanno, di un materiale costituito da uno strato di carbonio con una struttura a griglia esagonale (un po’ come le reti metalliche dei pollai) e dallo spessore infinitesimo di un unico atomo, circa mezzo milionesimo di millimetro. Fu messo a punto nel 2004 da Andrej Gejm e Konstantin Novoselov nei laboratori dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, e ciò valse loro il premio Nobel per la fisica nel 2010. Un materiale straordinario: leggerissimo, più resistente dell’acciaio, eccellente conduttore termico ed elettrico, quasi trasparente. Insomma, un materiale ideale che sembrava dovesse rivoluzionare la ricerca tecnologica in diversi domini, dall’elettronica alla meccanica all’ottica, ma che si rivelò non sempre facile da utilizzare su scala industriale. Ed è proprio in questo iato tra potenzialità teoriche ed utilizzazioni pratiche che si inserisce la scoperta fatta dal gruppo dell’ICFO. Finora, il grafene era stato utilizzato sovrapponendo perfettamente il reticolo degli esagoni di ogni sottilissimo foglio al fine di conferirgli una struttura più facilmente utilizzabile, ad esempio nei sistemi di filtraggio. Successivamente sono state tentate diverse configurazioni e al Massachusetts Institute of Technology si è scoperto che se due fogli di grafene vengono sovrapposti lasciando una piccolissima differenza di orientamento degli esagoni, per la precisione una rotazione di 1,1 gradi, si poteva modificare il comportamento degli elettroni nel materiale, un po’ come la luce che attraversa un filtro fotografico moiré, che produrrà un’immagine che sembra leggermente sfumata senza in effetti esserlo realmente.

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Una rappresentazione grafica di due fogli di grafene sovrapposti con la twistronica (Kai Fu, Yazdani Lab, Princeton University)

Il grafene, così modificato, si è quindi rivelato un conduttore davvero perfetto, tale che, se sottoposto ad una temperatura prossima allo zero assoluto, vicino a -270°, si comporta come un superconduttore, al pari di molti altri materiali, dall’alluminio allo zinco, ma mantenendo plasticità e resistenza. (Ricordiamolo: i superconduttori hanno la proprietà di non offrire alcuna o pochissima resistenza al passaggio della corrente e servono per realizzare elettromagneti di elevata potenza, ad esempio, nelle macchine per la risonanza magnetica).

Infinite nuove possibilità

Ora, come riferisce l’articolo comparso su Nature, sono stati realizzati elementi in grafene sensibilmente più grandi di quelli del passato e, giocando sulla diversa orientazione spaziale degli esagoni dei reticoli degli strati di grafene, si ottengono comportamenti differenziati. I fogli di grafene vengono trattenuti tra due placche conduttrici e questo permette di aumentare o diminuire il flusso di elettroni del grafene in funzione della tensione loro applicata. E questo fino a “svuotare” o a “riempire” il grafene, così da fargli assumere la configurazione di superconduttore oppure di isolante, passando per una varietà di stati intermedi caratterizzati da diverse condizioni di campo magnetico. Semplicemente modificando la rotazione degli esagoni gli uni rispetto agli altri si ottengono così innumerevoli differenti configurazioni. E ciò potrebbe aprire la strada a nuovi filoni di ricerca volti a mettere a punto sistemi di superconduttività a temperature sempre più elevate e, quindi, tecnologicamente più gestibili.

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