Il grafene: il materiale impossibile isolato col nastro adesivo

Immagina un materiale spesso un solo atomo, talmente sottile da essere praticamente bidimensionale, eppure circa duecento volte piu resistente dell'acciaio. Questo materiale esiste, si chiama grafene ed e stato isolato per la prima volta nel 2004 con uno strumento sorprendentemente umile: il comune nastro adesivo. Il grafene e un foglio di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, una sorta di rete a nido d'ape spessa appena un atomo. La sua scoperta ha ribaltato una convinzione data quasi per certa dai fisici e ha aperto un capitolo nuovo della scienza dei materiali, premiato con il Nobel nel giro di pochissimi anni.

Lo scotch tape che valse un Nobel

La storia comincia all'Universita di Manchester, nel Regno Unito. Nel 2004 i fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov stavano cercando un modo per ottenere strati di grafite il piu sottili possibile. La grafite, quella della mina delle matite, e fatta proprio di tanti fogli di grafene impilati e tenuti insieme da legami deboli. L'intuizione fu disarmante: applicare del nastro adesivo a un fiocco di grafite, staccarlo e ripetere l'operazione decine di volte, dimezzando ogni volta lo spessore finche non rimaneva un singolo strato atomico. Questa tecnica, chiamata esfoliazione meccanica o piu informalmente metodo dello scotch tape, e diventata leggendaria proprio per la sua semplicita.

I risultati furono pubblicati sulla rivista Science nell'ottobre 2004 nell'articolo Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films: il gruppo dimostrava di avere prodotto pellicole di carbonio spesse pochi atomi, stabili a temperatura ambiente, di altissima qualita e dotate di un fortissimo effetto di campo elettrico. Solo sei anni dopo, nel 2010, lo stesso lavoro veniva premiato con il Premio Nobel per la Fisica, assegnato a Geim e Novoselov "per gli esperimenti pionieristici sul materiale bidimensionale grafene". Pochi Nobel sono arrivati cosi rapidamente dopo la scoperta che li ha motivati.

Un cristallo che "non poteva esistere"

Cio che rende la scoperta cosi sorprendente non e solo il metodo, ma il fatto che per decenni i fisici avevano ritenuto impossibile l'esistenza stessa di un cristallo perfettamente bidimensionale. L'argomento teorico, legato al cosiddetto teorema di Mermin-Wagner, prevedeva che a temperatura finita le fluttuazioni termiche degli atomi in due dimensioni dovessero crescere a dismisura, distruggendo l'ordine cristallino: un foglio cosi sottile si sarebbe dovuto accartocciare, fondere o arrotolare in qualcos'altro.

La natura ha trovato una scappatoia elegante. Il foglio di grafene non e perfettamente piatto: presenta minuscole ondulazioni, increspature su scala nanometrica che si propagano sulla superficie. Sono proprio queste deformazioni nella terza dimensione a stabilizzare il cristallo, irrigidendolo e impedendo che le fluttuazioni lo disgreghino. Il grafene, insomma, sopravvive proprio perche non e davvero piatto: e un piano increspato che sfida la teoria rimanendo in piedi.

Proprieta da record e fermioni senza massa

Le caratteristiche del grafene sembrano uscite da un catalogo di superlativi. E circa 200 volte piu resistente dell'acciaio a parita di peso, pur essendo straordinariamente leggero e flessibile. E un eccellente conduttore sia elettrico sia termico, e allo stesso tempo quasi completamente trasparente, perche un singolo strato assorbe solo una piccola frazione della luce che lo attraversa. Difficile trovare un altro materiale che combini robustezza meccanica, conducibilita e trasparenza in questo modo.

C'e poi un aspetto che ha entusiasmato i fisici teorici. Nel grafene gli elettroni si muovono come se fossero particelle prive di massa, descritti non dalla solita equazione di Schrodinger ma da un'equazione tipica della fisica relativistica. Per questo si parla di fermioni di Dirac senza massa: gli elettroni viaggiano a una velocita effettiva costante, comportandosi come particelle ultrarelativistiche. Il grafene e diventato cosi una sorta di laboratorio da tavolo per studiare fenomeni che normalmente richiederebbero acceleratori di particelle.

L'angolo magico e la twistronics

La storia del grafene non si e fermata al Nobel. Nel 2018 un gruppo del MIT guidato da Pablo Jarillo-Herrero ha fatto una scoperta che ha aperto un intero nuovo campo di ricerca. Sovrapponendo due fogli di grafene e ruotandoli leggermente l'uno rispetto all'altro di un valore preciso, circa 1,1 gradi, il cosiddetto angolo magico, il sistema mostra un comportamento sorprendente: diventa superconduttore, cioe conduce elettricita senza alcuna resistenza.

Bastava cambiare un angolo di poco piu di un grado perche due fogli isolati lo stesso materiale passassero da isolante a superconduttore.

I risultati, pubblicati su Nature nell'articolo Cao et al., Unconventional Superconductivity in Magic-Angle Graphene Superlattices, hanno dato vita a una disciplina battezzata twistronics, l'elettronica del "torcere": l'idea che il semplice angolo di rotazione tra strati atomici possa controllare le proprieta elettroniche di un materiale. E uno dei filoni piu vivaci della fisica della materia condensata degli ultimi anni.

Dalle promesse alle applicazioni

Cosa ce ne facciamo, in pratica, del grafene? Le applicazioni reali e attese spaziano in moltissimi settori. In elettronica si studiano transistor, schermi flessibili e fotorivelatori ultraveloci. Nelle batterie e nei supercondensatori il grafene puo migliorare la velocita di carica e la durata. Aggiunto come additivo nei compositi rende plastiche, vernici e materiali da costruzione piu resistenti e conduttivi. Trova spazio nei sensori capaci di rilevare singole molecole e nelle membrane per la dissalazione dell'acqua, dove pori di dimensioni atomiche lasciano passare l'acqua trattenendo il sale.

Per accompagnare il materiale "dal laboratorio alla societa", l'Unione Europea ha lanciato nel 2013 la Graphene Flagship, una delle piu grandi iniziative di ricerca mai finanziate in Europa, con un budget dell'ordine del miliardo di euro e oltre cento partner tra universita e aziende. Il percorso verso un'adozione industriale di massa e ancora in corso: produrre grafene di altissima qualita su larga scala resta una sfida, e molte applicazioni sono tuttora in fase di sviluppo.

Resta il fatto che, partendo da un fiocco di grafite e un pezzo di nastro adesivo, due fisici curiosi hanno isolato un materiale considerato impossibile, hanno conquistato un Nobel e hanno aperto la strada a una fisica del tutto nuova. Una bella lezione su quanto, a volte, la curiosita e gli strumenti piu semplici possano cambiare la scienza.