Oltre il grafene: la nuova rivoluzione arriva dalla scoperta di polimeri bidimensionali con proprietà che si adattano all’elettronica moderna
In un articolo pubblicato su Nature Materials, un team italo-canadese che coinvolge il laboratorio Samos (Self-assembled materials on surfaces) guidato da Giorgio Contini ricercatore dell’Istituto di struttura della materia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ism), descrive la sintesi di polimeri bidimensionali su larga scala, simili al grafene ma con migliori proprietà applicative soprattutto in campo elettronico: “Abbiamo realizzato un nuovo materiale polimerico in 2D con un grado di ordine mai raggiunto prima, trasformando in realtà quello che finora era stato solo teorizzato”, afferma Contini.
“Questi polimeri bidimensionali presentano una struttura ‘kagome’, la stessa delle sedie in paglia di Vienna che si possono trovare in molte case italiane, e presentano caratteristiche di conducibilità elettrica simili a quelle del grafene. Li possiamo considerare dei materiali post-grafenici: la tecnica utilizzata per la loro sintesi permette di cambiarne i ‘mattoncini’ costituenti (monomeri) e di concerto le loro caratteristiche, al fine di un ottenere un più vasto utilizzo”. Le possibili applicazioni sono infatti tantissime, dalla realizzazione di polimeri 2D per dispositivi elettronici organici utilizzati in display, smartphone, sensori e celle solari a quella di nanopolimeri porosi per l’assorbimento di gas nocivi e di superfici biocompatibili per applicazioni nella nanomedicina, tra le altre. Questi materiali, come previsto teoricamente, hanno proprietà che si adattano all’elettronica moderna, permettendo la riduzione della produzione di calore nella progettazione dei chip. La loro integrazione in un dispositivo (ad esempio transistor) può portare a prestazioni eccezionali.
Nel 2004, l’isolamento del grafene colse di sorpresa il mondo e lo si immaginava destinato a rivoluzionare l’elettronica moderna. Si è presto capito però che le sue proprietà intrinseche ne limitano l’utilizzo nei dispositivi elettronici di uso comune.
Per guardare “oltre il grafene”, gli scienziati hanno studiato una grande varietà di sistemi bidimensionali inorganici con struttura simile e – dall’incontro tra la chimica dei polimeri e la fisica delle superfici – hanno ottenuto nuovi polimeri in 2D. Tuttavia, problemi come la bassa cristallinità e la presenza di difetti nelle strutture ottenute ne impedivano la caratterizzazione sperimentale, e lo studio di tali polimeri è rimasto per lungo tempo solo teorico.
La struttura a bande del polimero ottenuto dal team italo-canadese rivela sia bande piatte che un cono Dirac, confermando le previsioni teoriche. La coesistenza osservata di entrambe le strutture è di particolare interesse: mentre i coni di Dirac, sono indice di portatori di carica senza massa, necessari per applicazioni tecnologiche, le bande piatte estinguono l’energia cinetica dei portatori di carica e potrebbero dare origine a fenomeni estremamente interessanti come la superconduttività superficiale, il trasporto superfluo o l’effetto Hall anomalo.
I risultati ottenuti promuoveranno ulteriori studi su una vasta gamma di polimeri bidimensionali con diverse simmetrie reticolari, ottenendo così ulteriori informazioni sulla connessione tra struttura e proprietà. Questi materiali potrebbero quindi essere utilizzati sia per le loro proprietà intrinseche sia per essere uniti ad altri materiali per formare eterostrutture.
La ricerca è stata parzialmente supportata, per la parte italiana, da un progetto Grande Rilevanza Italia-Quebec del Ministero degli affari esteri e della cooperazione internazionale (Maeci), Direzione generale per la promozione del sistema Paese.