Grafene, il materiale delle meraviglie: team internazionale guidato dall’Università di Trieste fa luce su una delle più deboli forze che esistono in natura
Se nell’infinitamente grande è la forza gravitazionale a determinare l’evoluzione nello spazio e nel tempo di pianeti, stelle e galassie, quando focalizziamo la nostra osservazione alla scala atomica altre sono le forze che consentono la formazione della materia. Sono forze che, come una “colla speciale”, permettono ad atomi e molecole di aggregarsi per formare sistemi viventi e non.
Tra di esse ne troviamo una che, seppure scoperta 150 anni fa da Johannes Diderik van der Waals, porta con sé ancora alcuni aspetti di ambiguità.
Van der Waals fu il primo a svelarne l’origine e a darne una prima e semplice descrizione analitica, anche se poi si è dovuto attendere più di un secolo, con le nuove scoperte della teoria dei campi, per poterne capire fino a fondo l’origine quantistica. Solo negli ultimi 30 anni ci si è però resi conto di quanto questa forza pervada il mondo naturale. Una delle meraviglie è rappresentata dai gechi che sfruttano queste forze per risalire pareti verticali e lisce grazie all’interazione di van der Waals che si esercita per via della moltitudine di peli dei quali è equipaggiato ogni dito delle loro zampe. Ma queste forze influiscono pure sulla stabilità della doppia elica del DNA e sono altresì responsabili delle interazioni tra diversi gruppi di amminoacidi.
Ciò che le rende uniche è il fatto che sono le più deboli tra le forze inter-atomiche ed inter-molecolari che conosciamo in natura e per questo rimangono estremamente difficili da misurare con grande accuratezza. Nel contempo anche l’inclusione di queste forze nei più moderni ed accurati metodi di calcolo non ha ancora trovato una soluzione universale e i diversi approcci utilizzati dai fisici e chimici teorici per tenerne conto possono talvolta condurre a risultati del tutto contrastanti.
E’ nell’ambito di questa problematica che si è inserito il lavoro del gruppo di ricerca guidato dal Prof. Alessandro Baraldi del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trieste, che ha deciso di indagare l’effetto di trasparenza di particolari materiali a queste forze.
L’obiettivo era quello di valutare come questo tipo di forza, che si esercita ad esempio tra una superficie ed una molecola, si possa propagare a distanza anche quando un altro materiale ultra-sottile viene interposto tra di loro.
La scelta è ricaduta nel grafene, “il materiale delle meraviglie”, il più sottile mai sintetizzato dall’uomo, sul quale il gruppo di ricerca ha una consolidata esperienza. Grazie alle potenti metodologie di indagine sperimentale sviluppate nel corso degli anni presso la beamline SuperESCA di Elettra e al confronto dei risultati sperimentali con quelli teorici ottenuti dai gruppi di ricerca coordinati dal Prof. Dario Alfè dello University College London e dell’Università Federico II di Napoli e dal Dr. Eduardo Hernandez del CSIC di Madrid si è compreso come il grafene sia solo parzialmente trasparente alle forze di van der Waals e presenti quindi un carattere di traslucenza. Si tratta di un fenomeno unico: infatti, non è mai stato osservato per le ben più forti interazioni su cui si basano i legami chimici, che hanno luogo solo fra materiali “a diretto contatto”.
“I nostri risultati” dice Franceso Presel, prim’autore della pubblicazione, ora post-doc presso la Technical University of Denmark di Copenhagen e già dottorando di ricerca in Nanotecnologie presso UNITS, ”mettono chiarezza ad un problema aperto e dibattuto da qualche anno. I nostri studi hanno messo in evidenza come, non solo nel caso dell’acqua, ma anche nel caso di altri atomi e molecole, il grafene lasci passare una buona parte delle forze di van der Waals, che raggiunge un valore di quasi il 50%”.
I risultati, pubblicati sulla prestigiosa rivista internazionale ACS Nano, saranno utili per chiarire i processi di interazione di atomi o molecole con le superfici e per chiarire alcuni aspetti delle complesse e deboli interazioni che si esistono nei materiali di ultima generazione. Parliamo delle eterostrutture formate da strati di materiali bidimensionali sovrapposti come fogli di carta (oltre al grafene, nitruro di boro esagonale, disolfuro di molibdeno, etc), ognuno dello spessore di un singolo atomo o poco più che dopo l’avvento del grafene nel 2004 hanno fatto breccia nel panorama della scienza dei materiali e che oggi prendono proprio il nome di Materiali di van der Waals.