Fisica: due dimensioni per un Nobel

Il premio agli scienziati Andrei Geim e Konstantin Novoselov per la scoperta del grafene, materiale delle meraviglie

Due giorni fa, martedì 5 ottobre, è stato annunciato il conferimento del Premio Nobel per la Fisica 2010 a Andrei Geim e Konstantin Novoselov, due scienziati di origine russa che lavorano presso l'Università di Manchester, nel Regno Unito. A motivare il prestigioso riconoscimento, anni di ricerca e di esperimenti che hanno portato, nel 2004, alla scoperta del grafene, un materiale dalle proprietà a dir poco sbalorditive e dalle molteplici applicazioni tecnologiche, che spaziano dall'elettronica all'ingegneria biomedica.

Questo materiale 'delle meraviglie' non è altro che una forma del carbonio. La novità è nel fatto che, nel grafene, il carbonio è disposto in fogli sottilissimi, dello spessore di un singolo atomo: si tratta in pratica di un materiale bidimensionale. Nel nostro mondo a tre dimensioni, uno spessore così piccolo è praticamente impossibile da immaginare: se impilassimo uno sopra l'altro circa un milione di fogli di grafene, si raggiungerebbe lo spessore di un comune foglio di carta! È proprio a causa della sua infinitesima terza dimensione che questo materiale, la cui esistenza era stata predetta già nel 1947, ha richiesto decenni prima di poter essere isolato in laboratorio.

A seconda del modo in cui gli atomi di carbonio si legano tra loro, questo elemento dà luogo ad una serie di materiali diversi, i più famosi tra i quali sono il diamante e la grafite. Nel diamante, gli atomi di carbonio formano un cristallo resistentissimo disponendosi in una struttura la cui unità di base è il tetraedro—un solido con quattro facce triangolari. La grafite, che si può trovare all'interno delle matite, è invece molto diversa dal diamante, benché entrambi siano formati da atomi di carbonio. Nella grafite, gli atomi si dispongono in una serie di strati con una struttura a nido d'ape, dove l'unità di base è l'esagono, e i vari strati sono tenuti insieme tra di loro da legami tra gli elettroni che appartengono ai vari atomi; i legami che tengono uniti gli atomi in ciascuno strato sono molto più forti di quelli che tengono insieme i vari strati, ed è per questo che, al contrario del diamante, la grafite si sfalda facilmente.

Il grafene consiste in un singolo strato di quelli che costituiscono la struttura della grafite, in un modo che ricorda vagamente gli strati di un wafer. In molti sospettavano che, una volta isolata, una simile struttura a due dimensioni si sarebbe arrotolata su se stessa e non sarebbe rimasta stabilmente in forma piana. Geim e Novoselov, invece, hanno perseverato per anni nella loro ricerca, finché nel 2004 hanno messo a punto un esperimento apparentemente molto semplice: hanno infatti utilizzato del comune nastro adesivo ed un pezzo di grafite e, con il nastro adesivo, sono riusciti a strappare alla grafite strati di carbonio dello spessore di un solo atomo—il grafene, appunto.

Grazie al modo in cui i suoi atomi sono disposti, il grafene è un ottimo conduttore sia di elettricità che di calore, ed ha quindi trovato applicazione immediata nell'industria elettronica; inoltre, ha proprietà di semi-conduttore e per questo può essere utilizzato nella produzione di transistor. Studi recenti hanno dimostrato che questo materiale è anche il più resistente al mondo, ma al contempo è estremamente malleabile ed in aggiunta è praticamente trasparente: per questi motivi, risulta quanto mai adatto alla realizzazione di schermi e display.

I registi della scoperta sono entrambi nati in Unione Sovietica e hanno lavorato insieme per molti anni, prima a Nijmegen, in Olanda, dove Novoselov ha conseguito il suo dottorato proprio sotto la guida di Geim, e poi presso l'Università di Manchester. Alla scoperta del grafene sono arrivati nel tipico modo che è alla base della ricerca scientifica: tentando soluzioni nuove e sempre diverse, che a volte funzionavano ed altre volte no, ma che portavano sempre ad imparare qualcosa che si ignorava in precedenza. In questo caso, gli sforzi si sono rivelati di estremo successo: già nel 2008 gli scopritori del grafene erano tra i favoriti per il premio Nobel, che è infine arrivato nel 2010. Il comitato della fondazione Nobel ha premiato in particolare la geniale creatività che ha caratterizzato molti dei loro esperimenti, e che ha condotto ad una scoperta rivelatasi poi di enorme importanza per un numero sempre crescente di applicazioni alla vita di tutti i giorni.

Sin dalla scoperta, Geim e Novoselov si sono anche dimostrati estremamente aperti nel condividere con il resto della comunità scientifica i loro risultati, come riportato nel sito PhysicsWorld.com dell'Institute Of Physics, dove si racconta anche come i due abbiano formato una generazione di nuovi fisici, invitando numerosi scienziati presso l'Università di Manchester e mettendo a loro disposizione le conoscenze da essi acquisite sui metodi per produrre il grafene. Per omaggiarli, l'Institute Of Physics ha deciso di aprire l'accesso a tutti gli articoli scientifici pubblicati dai due fisici sulle riviste specialistiche edite da questa istituzione.

Oltre alle congratulazioni di fisici e scienziati di tutto il mondo, su Geim e Novoselov sono puntati gli occhi dell'intera comunità scientifica britannica. Nel Regno Unito, infatti, la ricerca scientifica e le istituzioni universitarie sono al momento minacciate da pesantissimi tagli nei finanziamenti. Numerose sono le campagne di protesta in atto contro questi provvedimenti, tra cui l'operazione Science is Vital, che vedrà migliaia di scienziati e membri della società civile sfilare per le strade di Londra il prossimo sabato 9 ottobre.

Dopo il conferimento del Nobel a due eccellenti professori di un'università britannica, sono in molti a sperare che il prestigioso riconoscimento, premiando non soltanto una scoperta dalle molteplici applicazioni industriali e tecnologiche ma anche gli intensi sforzi e le lunghe ricerche che l'hanno preceduta, porti un messaggio alla politica, mostrando ancora una volta il valore immenso della ricerca scientifica all'interno della società.

CLAUDIA MIGNONE

Nell'immagine in alto, Andrei Geim e Konstantin Novoselov (Foto di Russell Hart/Univesity of Manchester); al centro, la struttura bidimensionale del grafene (Fonte: Wikimedia Commons); in basso, il logo dell'iniziativa Science is Vital.