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La terza dimensione del grafene

Image source: Korea Electrotechnology Research Institute.

Il grafene è il primo materiale bidimensionale termodinamicamente stabile scoperto in natura. Le sue proprietà sono straordinarie: dalla elevatissima mobilità elettrica basata su elettroni a dispersione lineare (elettroni di Dirac), alla forte interazione con il campo elettromagnetico, all’ alta conducibilità termica, alla notevole durezza meccanica.

Negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sul fornire una terza dimensione al grafene. Recentemente sono stati scoperti materiali grafenici tridimensionali (3D) con strutture micro e nano-porose, oppure costituite da filamenti mesoscopici che si distribuiscono su scale spaziali macroscopiche. Queste strutture topologiche permettono di conservare le straordinarie proprietà elettriche e termodinamiche del grafene 2D estendendole nel mondo tridimensionale.

La natura porosa o filamentosa, e l’alto rapporto superficie/volume di queste architetture 3D aprono interessanti scenari applicativi e di fisica fondamentale: dalla superconduttività, all’uso nelle batterie e nei supercondensatori, all’elettronica flessibile, fino alla fotonica infrarossa e terahertz e alla plasmonica.

Queste ultime proprietà elettromagnetiche sono state studiate recentemente tramite una collaborazione tra l’IIT@Sapienza, l’INFN-LNF e il laboratorio TERALAB del Dipartimento di Fisica della Sapienza [1].

Strutture nanoporose 3D di grafene mostrano modi di assorbimento plasmonici modulabili dalla regione terahertz dello spettro elettromagnetico fino al medio infrarosso che sono stati misurati presso la beamline DAFNE luce. Questi modi plasmonici, che appaiono come conseguenza della struttura porosa del grafene 3D, mantengono le peculiarità dettate dalla natura Dirac degli elettroni del grafene 2D muovendosi con alta mobilità nella struttura fortemente interconnessa del grafene nanoporoso. Il grande rapporto superficie/volume, il basso impatto tossicologico del grafene e la possibilità di confinare molecole e materiale di interesse biomedico nei pori combinato con la natura “broad band” degli assorbimenti plasmonici 3D permetterà di ottenere sensori bio-compatibili, economici e versatili.

[1] Terahertz and mid-infrared plasmons in three-dimensional nanoporous graphene
F. D’Apuzzo, A. R. Piacenti, F. Giorgianni, M. Autore, M. Cestelli Guidi, A. Marcelli, U. Schade, Y. Ito, M. Chen, and S. Lupi
NATURE COMMUNICATIONS | 8:14885 | DOI: 10.1038/ncomms14885 (2017)

Per informazioni:

Prof. Stefano Lupi
INFN e Dipartimento di Fisica, Università La Sapienza di Roma
Stefano.lupi@roma1.infn.it

Dr. Mariangela Cestelli-Guidi,
INFN-LNF
Mariangela.CestelliGuidi@lnf.infn.it