Nell’ambito dei nuovi materiali, in vista dello sviluppo di degli elettrodi compatti e leggeri a base carboniosa (il C e’ un materiale leggero), abbiamo studiato e caratterizzato il grafene (un foglio costituito da un singolo strato atomico di atomi di C) in diverse forme, da monostrati ordinati su superfici utilizzabili tecnologicamente (quali il carburo di silicio [1]), a sistemi ternari quali i borocarbonitruri [2], al grafene nanoporoso [3-4], dove il foglio di grafene è avvolto su scala sub-micrometrica in forma tridimensionale, così costituendo un sistema con enorme grande rapporto superficie/volume, per il quale abbiamo dimostrato che mantiene le sue eccellenti caratteristiche 2D pur essendo impacchettato compattamente in un sistema tridimensionale.
l grafene nanoporoso (NPG) ha struttura porosa dell’ ordine da qualche centinaio di nm al micrometro; la sua struttura è continua e presenta aspetto tubolare, come nelle immagine di microscopi a ioni di elio sottostanti, che mostrano due campioni con porosità media diversa . Tali strutture riescono a compattare in un sistema tridimensionale poroso il grafene, mantenendone le peculiari proprietà 2D, come dimostreremo tramite spettroscopia Raman e di fotoemissione.
I veli continui di grafene hanno una struttura atomica regolare ed ordinata costituita da uno o al massimo due veli di grafene contigui, come nelle immagini di microscopia elettronica in trasmissione su scala atomica e di diffrazione sottostanti (immagini adattate da [3]). In particolare si può osservare come mediamente siano presenti due strati di grafene scarsamente interagenti e impilati in forma diversa dalla grafite (impilamento di Bernal).
Siamo riusciti a determinare la ottima qualità del grafene, tramite la spettroscopia Raman, che mostra intense bande 2D e G tipiche del grafene, con una bassa presenza di difetti (banda D); tuttavia, quando il grafene nanoporoso è drogato con impurezze di azoto, il picco di difetto tende ad aumentare, a causa degli atomi N sostituzionali nella maglia di grafene (figura sottostante).
La presenza di pieghe nei veli continui di grafene può essere associata a leggere distorsioni del legame tipico planare fra gli atomi di carbonio conigui. Le immagini sottostanti di fotoemissione dal livello atomico profondo 1s del C, effettuate ad altissima risoluzione spaziale (300 nm) presso la linea di luce Antares del laboratorio di luce di sincrotrone Soleil a Saint Aubin (Parigi, Francia), mostrano il segnale dominante dovuto al legame ibrido sp2, con zone nelle quali risulta relativamente intenso anche il segnale associato a legami distorti tipo-sp3. Le zone con dominanza sp2-sp3 sono fra di loro complementari, proprio dimostrando che i bordi delle aree più planari hanno distorsioni nei legami (figura adattata da [3]).
Come si osserva dagli spettri sottostanti, la banda di valenza ha un andamento perfettamente lineare verso il livello di Fermi (cioè vicino a binding energy = 0) nelle zone planari (spettro blu), mentre si osserva un leggero scostamento dall’andamento lineare con arrotondamento del segnale vicino al livello di Fermi nelle zone con pieghe e difetti (spettro blu).
Abbiamo quindi dimostrato che campioni di grafene poroso avvolto tridimensionalmente in fiocchi su scala millimetrica e con una enorme densità di superficie disponibile (1200 m2/g) presentano le proprietà complete del grafene, costituendo eccellenti prototipi per l’accumulazione di ioni di metalli alcalini. Dat preliminari di spettromicroscopia [4] mostrano effettivamente come il grafene nanoporoso porti ad un accumulo di ioni di Li di circa 1 ioni Li per 2 atomi di C del grafene (vedi figure sottostanti), molto maggiore dei limiti attuali per la grafite (1:6), aprendo promettenti prospettive per l’utilizzazione di queste forme 3D del grafene come accumulatori di carica molto leggeri in applicazioni tecnologiche spaziali.
Maggiori dettagli ed approfondimenti negli articoli pubblicati: [articoli con ringraziamenti a FATA]
[1] Pierluigi Mondelli, Bharati Gupta, Maria Grazia Betti, Carlo Mariani, Josh Lipton Duffin and Nunzio Motta, “High quality epitaxial graphene by hydrogen etching of 3C-SiC(111) thin-film on Si(111)”, Nanotechnology 28, 115601 (2017): DOI: 10.1088/1361-6528/aa5a48
[2] Lorenzo Massimi, Maria Grazia Betti, Simone Caramazza, Paolo Postorino, Carlo Mariani, Alessandro Latini, Fabrice Leardini, “In-Vacuum Thermolysis of Ethane 1,2-Diamineborane for the Synthesis of Ternary Borocarbonitrides”, Nanotechnology 27, 435601 (2016); DOI: 10.1088/0957-4484/27/43/435601
[3] Iolanda Di Bernardo, Giulia Avvisati, Carlo Mariani, Nunzio Motta, Chaoyu Chen, José Avila, Maria Carmen Asensio, Stefano Lupi, Yoshikazu Ito, Mingwei Chen, Takeshi Fujita, and Maria Grazia Betti, “Two-Dimensional Hallmark of Highly Interconnected Three-Dimensional Nanoporous Graphene”, ACS Omega 2, 3691/3697 (2017); DOI: 10.1021/acsomega.7b00706 ; and: Iolanda Di Bernardo, Giulia Avvisati, Chaoyu Chen, José Avila, Maria Carmen Asensio, Hu Kailong, Yoshikazu Ito, Peter Hines, Josh Lipton-Duffin, Llew Rintoul, Nunzio Motta, Carlo Mariani, Maria Grazia Betti, “Topology and doping effects in three-dimensional nanoporous graphene”, submitted to Carbon (2017).
[4] Iolanda Di Bernardo et al., to be published.