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Il futuro del grafene? Lo scrive il Dna

Quale potrebbe essere il prossimo grande goal dell'elettronica? Sfruttare le molecole di DNA per avere "stampi" per strutture di grandezza nanometrica da usare su fogli di grafene. Tra MIT e Harvard diversi gruppi ci lavorano ormai da tempo.
Quale potrebbe essere il prossimo grande goal dell'elettronica? Sfruttare le molecole di DNA per avere "stampi" per strutture di grandezza nanometrica da usare su fogli di grafene. Tra MIT e Harvard diversi gruppi ci lavorano ormai da tempo.

Utilizzare molecole di Dna sintetico per realizzare nanostrutture che potrebbero rivoluzionare l’elettronica del futuro. L’idea è venuta a un gruppo di scienziati del MIT e dell’Università di Harvard, che hanno prima costruito veri e propri origami modellando la celebre doppia elica e poi li hanno utilizzati come stampi per disegnare strutture nanometriche di forme particolari su fogli di grafene. La tecnica, descritta in un articolo pubblicato su Nature Communications, potrebbe aprire la strada, secondo gli autori, alla produzione su larga scala di transistor di nuova generazione basati proprio sul grafene, il materiale a base di carbonio dalle incredibili proprietà elettriche che da più parti viene indicato come il successore del silicio nel campo dell’elettronica.
 
Il materiale che cambierà il mondo?
Una maglia dello spessore di un atomo con una trama fatta di esagoni ai vertici dei quali si trova un atomo di carbonio. Questa struttura, che in gergo gli scienziati chiamano "foglio", fa del grafene il materiale più sottile al mondo. Talmente sottile che per raggiungere lo spessore di un millimetro, i fogli da mettere uno sopra l’altro sarebbero circa tre milioni. Guai però a confondere questa sottigliezza per fragilità. Il grafene è infatti cento volte più resistente dell’acciaio, sei volte più elastico e il suo reticolo è incredibilmente stabile. È inoltre un buon conduttore di calore ed è quasi trasparente. Per queste sue proprietà viene considerato “la plastica del terzo millennio” e sta catalizzando non solo l’attenzione degli scienziati, ma anche quella degli investitori in ricerca e sviluppo, che ritengono possa diventare il fulcro di una terza rivoluzione industriale.
 


Modello molecolare del grafene (fonte : Wikimedia Commons)

 
Micheal Strano, ingegnere chimico del MIT e autore della ricerca, è però interessato alle proprietà elettriche del grafene, che cambiano a seconda della forma e delle dimensioni assunte dal reticolo di questo materiale. Generalmente, infatti, il grafene si comporta come un conduttore elettrico, un po' come se fosse un filo di rame; quando però da un foglio si ricavano strisce lunghe e strette le sue proprietà elettriche diventano analoghe a quelle di un semiconduttore e il grafene gioca a fare il silicio. Inutile dire che questa seconda veste elettrica ingolosisca quanti stiano cercando di mandare in pensione proprio il silicio, per sviluppare transistor di nuova generazione che aumentino le prestazioni dei dispositivi elettronici. Un transistor di grafene da 300 GHz è già stato realizzato nel 2010 e aziende del calibro dell’IBM stanno investendo molto su questo materiale. Lavorare sul grafene a scale nanomentriche non è però semplice come tagliare un foglio di carta. Attualmente la litografia a fascio elettronico è la tecnica più affidabile per intervenire sulla geometria del materiale, ma si tratta di un processo lungo, molto costoso e difficilmente potrà essere adottato per produrre su larga scala componenti elettronici basati sul grafene.
 
Una ricetta a base di Dna
A questo punto irrompe nella storia Pen Yin, professore di sistemi biologici all’Harvard Medical School. Da ormai qualche anno, nel laboratorio diretto da Yin si costruiscono nanostrutture di forme svariate utilizzando molecole di Dna. Progettate al computer, queste strutture vengono assemblate nel corso di una reazione nella quale le molecole di Dna si legano tra loro mediante veri e propri cordoni denominati "Dna-strand". Yin e i suoi colleghi sono i numeri uno nella produzione di questi origami nanometrici: utilizzando questa tecnica hanno costruito col Dna tutto l’alfabeto e anche diverse emoticon.
 


A sinistra, Dna metallizzato (rosso) forma la lettera O e la lettera L su un foglio di grafene. A destra, il risultato del trattamento di plasma litography che incide la forma delle lettere sul grafene (Crediti: Zhong Jin)

 
Perché allora non provare a utilizzare queste strutture di Dna come se fossero dei timbri da applicare su un foglio di grafene? Questo deve aver pensato Micheal Strano, chiedendo a Pen Yin di aiutarlo nell’impresa. Così i due gruppi statunitensi mettono a punto un processo chimico per ricavare strisce di grafene a partire da nanostrutture di Dna con la stessa forma. Ecco la ricetta. Primo: il Dna viene ancorato al foglio di grafene mediante una molecola chiamata aminopirina. Secondo: il Dna viene rivestito da un cluster di nanoparticelle d’argento, sul quale in seguito verrà depositato un sottile strato d’oro. Terzo: il Dna così metallizzato può essere sottoposto a un processo di plasma litography, nel quale un gas di ossigeno ionizzato molto reattivo distrugge il grafene non protetto dalla metallizzazione in oro: in questo modo il grafene assume la stessa forma della struttura di Dna che gli era stata ancorata sopra. Quarto: il Dna viene lavato via immergendo il campione in un bagno di cianuro di sodio.
 
Nuove forme di transistor
«Questo lavoro mostra chiaramente che l’utilizzo di maschere di Dna per la produzione su larga scala di dispositivi elettronici di grafene è una strada davvero percorribile», ha detto Robert Haddon, professore di ingegneria chimica dell’Università della California a Riverside. «Credo che questo approccio stimolerà ulteriormente la ricerca sulle tecniche di realizzazione di nanostrutture basate su questo materiale». Con la loro tecnica i due team protagonisti della ricerca hanno intanto realizzato “chip” di grafene a forma di X e Y, le geometrie tipiche che caratterizzano le giunzioni dei transistor, ma anche a forma di anello. È emerso recentemente infatti che quando gli elettroni ruotano all’interno del grafene siano caratterizzati da interferenza quantistica, un fenomeno affascinante non solo per la ricerca di base, ma anche perché potrebbe essere utilizzato per la costruzione di transistor di nuova generazione. Una generazione di dispositivi le cui caratteristiche sembrano scritte, è il caso di dirlo, dal Dna.

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