Un articolo pubblicato sulla rivista “Science” riporta la scoperta della possibilità di generare un legame chimico transitorio tra atomi di idrogeno e un foglio di grafene. Un team di ricercatori coordinati dal Max Planck Institute (MPI) for Biophysical Chemistry di Gottinga, in Germania e del California Institute of Technology (CalTech) di Pasadena, negli USA, ha bombardato fogli di grafene con atomi di idrogeno generando una delle reazioni più rapide mai studiate dato che avviene in soli 10 femtosecondi in cui l’idrogeno cede la maggior parte della sua energia.
Questo risultato offre la possibilità di produrre una banda proibita, o energia di gap, che può rendere il grafene un semiconduttore con nuove applicazioni nel campo dell’elettronica. Liv Hornekær dell’Interdisciplinary Nanoscience Center-iNANO dell’Università di Aarhus, in Danimarca, ha pubblicato un altro articolo nello stesso numero di “Science” che descrive il lavoro compiuto dagli autori della ricerca.
Il grafene è costituito da uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Ha una struttura in cui gli atomi formano esagoni con angoli di 120°. Questo materiale ha una robustezza straordinaria, maggiore dell’acciaio, e ha eccellenti proprietà elettriche. Per quanto sia già celebrato da tempo, il grafene ha anche alcuni svantaggi non da poco che vanno oltre i problemi di produzione di fogli di qualità. Molte grandi promesse sono collegate ad applicazioni nel campo dell’elettronica ma il grafene non può essere usato come semiconduttore, dato che non ha una banda proibita. Questo nuovo studio potrebbe cambiare la situazione mostrano le possibilità emerse da un esperimento che ha fornito risultati sorprendenti.
Quando i ricercatori hanno bombardato un foglio di grafene posato su un piatto di platino si aspettavano che volassero via immediatamente, invece formavano un legame con gli atomi di carbonio per un tempo straordinariamente breve di soli 10 femtosecondi, cioè dieci milionesimi di miliardesimo di secondo, per poi rimbalzare via. Gli atomi di idrogeno avevano un’elevata velocità e quindi parecchia energia perciò è arrivata un’altra sorpresa dal fatto che ne rimanesse ben poca quando essi volavano via.
Per capire come mai gli atomi di idrogeno perdessero la maggior parte della loro energia e dove essa andasse, i ricercatori hanno sviluppato metodi teorici e simulazioni al computer che successivamente hanno confrontato con gli esperimenti. Ciò che avviene durante quei 10 femtosecondi di legame chimico è che gli atomi di idrogeno trasferiscono quasi tutta la loro energia agli atomi di carbonio del grafene e ciò innesca un’onda sonora che si propaga verso l’esterno, un po’ come l’effetto di un sasso gettato nell’acqua. Secondo i ricercatori quell’onda sonora contribuisce a formare un legame idrogeno-carbonio più facilmente di quanto gli scienziati si aspettassero e di quanto fosse predetto da modelli precedenti.
L’immagine (Cortesia Oliver Bünermann / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry & University of Göttingen. Tutti i diritti riservati) mostra un atomo di idrogeno (in blue) che colpisce la superficie di grafene (in nero) e forma in modo estremamente rapido un legame con un atomo di carbonio (in rosso). L’elevata energia dell’atomo di idrogeno viene assorbita prima dagli atomi di carbonio vicini (in arancione e giallo) e poi passata attraverso la superficie del grafene nella forma di un’onda sonora.
Oliver Bünermann dell’Università di Gottinga ha spiegato che lui e i suoi colleghi hanno dovuto condurre gli esperimenti in un vuoto molto spinto per mantenere la superficie del grafene perfettamente pulita. Un sistema di laser è stato impiegato per preparare gli atomi di idrogeno e per rilevarli dopo le collisioni. Insomma, il risultato è interessante perché migliora la nostra comprensione di certi fenomeni chimici, fisici ed elettrici ma si tratta di esperimenti di laboratorio. Applicare certe scoperte a prodotti industriali è ben più complesso ed è ciò che frena la diffusione del grafene. Tuttavia ci sono scoperte che possono produrre applicazioni inizialmente impreviste e questa ricerca mostra che la nostra conoscenza delle proprietà del grafene sono ancora incomplete.
