22 Ottobre 2004: La scoperta del grafene

Gli scienziati spesso trovano modi ingegnosi per conseguire i loro obiettivi di ricerca, anche quando, come in questo caso, l'obiettivo è un materiale veramente bidimensionale che secondo il parere di molti fisici non sarebbe mai potuto essere ottenuto. Nel 2003, un fisico geniale con un blocco di grafite, un po' di nastro adesivo e tanta pazienza e tenacia ha prodotto uno straordinario nuovo materiale che è un milione di volte più sottile della carta, più forte del diamante, più conduttivo del rame. Si chiama grafene, e ha agitato la comunità dei fisici come una tempesta, quando il primo articolo sull'argomento è apparso l'anno successivo. 

L'uomo che per primo ha scoperto il grafene, insieme al suo collega, Kostya Novoselov, è Andre Geim. Geim ha studiato presso l'Università di Mosca e ha conseguito il dottorato di ricerca presso l'Istituto di Fisica dello Stato Solido in Chernogolovka, Russia. Ha trascorso due anni presso l'Istituto per la tecnologia microelettronica prima di ottenere una borsa di studio presso l'Università di Nottingham, in Inghilterra. Nel 1994, fu presso l'Università di Nijmegen, nei Paesi Bassi, per poi tornare in Inghilterra all'Università di Manchester nel 2001 e diventare direttore del Centro per la meso-scienza e la nanotecnologia. 

Geim era noto per soggetti di ricerca eccentrici. Ha fatto notizia nel 1997, quando ha usato un campo magnetico per far levitare una rana, ottenendo un premio Ig Nobel nel 2000. In un altra occasione è stato co-autore di un documento con il suo criceto preferito, "Rilevazione della rotazione terrestre con un giroscopio levitante diamagneticamente" sostenendo che "H.A.M.S ter Tisha" ha contribuito all'esperimento di levitazione "in maniera sostanziale". (Secondo Wikipedia il criceto in seguito ha  postulato per un dottorato di ricerca presso l'Università di Nijmegen.) Nel 2007 il suo laboratorio ha sviluppato un micro-adesivo imitando i cuscinetti appiccicosi delle zampe di un geco. 

Geim ha dichiarato che la sua strategia di ricerca predominante è quella di usare qualsiasi struttura di ricerca sia a sua disposizione per cercare di fare qualcosa di nuovo con l'attrezzatura a portata di mano. La chiama "dottrina Lego": "Hai tutti questi diversi pezzi e si deve costruire qualcosa basato rigorosamente sui pezzi che hai".

Nel caso del grafene, il suo laboratorio era ben attrezzato per lo studio del piccolo campioni. i nanotubi di carbonio erano - e sono - un importante settore di ricerca sui materiali, e Geim ha pensato che potrebbe essere possibile fare qualcosa di simile ai nanotubi di carbonio, solo in una configurazione piana. Ha avuto l'idea di ridurre un blocco di grafite ad uno spessore di soli 10 o 100 strati e quindi studiare le proprietà del materiale. Uno dei suoi studenti a cui era stato assegnato il compito, aveva prodotto un granello di grafite spessa circa un 1000 strati quando Geim ha avuto l'idea di usare lo scotch per staccare lo strato superiore. Fiocchi di grafite si staccano sul nastro, e il processo può essere ripetuto più volte per realizzare fiocchi progressivamente più sottili attaccati al nastro. Ha poi sciolto il nastro in soluzione, ottenendo fiocchi ultra-sottili di grafite: spessi solo 10 strati. 

In poche settimane, la sua squadra aveva cominciato a fabbricare transistor rudimentali con il materiale. Con ulteriori raffinamenti della tecnica sono stati ottenuti i primi fogli di grafene. "Abbiamo fregato la natura facendo prima un materiale tridimensionale, che è la grafite, e poi prelevando un suo singolo strato", ha dichiarato Geim. 

Nell'ottobre 2004, Geim ha pubblicato un articolo che annunciò la realizzazione di fogli di grafene sulla rivista Science>, dal titolo "Effetto del campo elettrico su strati di carbonio atomicamente sottili." E' oggi uno dei documenti più citati in fisica dei materiali, ed entro il 2005, i ricercatori riuscirono a isolare fogli di grafene. Il grafene ha lo spessore di un solo atomo forse il materiale più sottile dell'universo e forma un reticolo cristallino di alta qualità, con posti vacanti o dislocazioni nella struttura. Tale struttura conferisce proprietà intriganti, e ha dato vita ad una nuova e sorprendente fisica. 

Dal punto di vista fondamentale, la proprietà più intrigante del grafene è il fatto che i suoi elettroni di conduzione si dispongono in quasi-particelle che si comportano più come i neutrini o elettroni che si muovano a velocità prossime a quelle della luce, seguendo le leggi della fisica relativistica. Nella maggior parte dei materiali invece i portatori di carica si comportano in un modo più classico. Geim ha paragonato questa capacità all'avere un "Large Hadron Collider" sulla scrivania. Grazie ad essa infatti è possibile testare alcune idee in fisica delle particelle e astrofisica su una scala più piccola e molto meno costosa di un collisore multimilonario. 

L'applicazione più  ovvia del grafene è quella di sostituire i chip di silicio, dal momento che tale tecnologia sta rapidamente raggiungendo i suoi limiti fondamentali (sotto i 10 nanometri). Molto promettente è inoltre l'utilizzo del grafene nei transistor ad alta frequenza in regime dei terahertz per costruire circuiti stampati in miniatura su scala nanometrica. Ci sono barriere tecniche: il grafene è metallico, così gli scienziati avrebbero bisogno di trovare un modo per rendere il materiale semiconduttore. Avranno anche bisogno di sviluppare una tecnica per la produzione di fogli di grafene in grandi quantità se si trovano applicazioni in settori industriali su larga scala. 

Per ora, il grafene è in fase di studio come riempitivo in materiale plastico per fare materiali compositi, in modo molto simile a quello in cui i nanotubi di carbonio sono usati per sostenere la resistenza dei materiali. Sospensioni di grafene possono anche essere usate per ottenere film otticamente trasparenti e conduttivi adatti per schermi LCD. 

Infine il grafene ha avuto anche il potere di domare famigerato "prurito" di Geim che spesso tendeva a cambiare i temi di ricerca nel passato. Infatti, ha persino messo da parte la sua promettente ricerche sul nastro geco per concentrarsi prevalentemente sul grafene, che ammette è di gran lunga il più significativo dei suoi risultati scientifici. "Con il grafene, ogni anno porta un nuovo risultato, un nuovo sotto-settore di ricerca che si apre" ha detto GeimScience nel 2007. "Voglio piantare molti più pali nel terreno prima che sia completamente coperto, prima che tutto l'interessante sia stato scoperto. Poi sarà il momento di andare avanti. "