Realizzata la lampadina più sottile al mondo grazie al grafene


    Il grafene è considerato uno dei materiali più promettenti per la sua grande versatilità in numerose applicazioni tecnologiche. Il grafene infatti mostra una resistenza e una rigidità superiore a quella dell’acciaio e una capacità di conduzione elettrica a temperatura ambiente migliore di qualsiasi altro conduttore (es. il rame). Tale nanomateriale, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio con una struttura bidimensionale ultrasottile, può aggiungere un'altra caratteristica all'elenco: la capacità di emettere luce.

    Immagine – L’emissione di luce avviene nel momento in cui una corrente circola attraverso le strisce di grafene posizionate su una base di silicio. Credit: Young Duck Kim/Columbia EngineeringImmagine – L’emissione di luce avviene nel momento in cui una corrente circola attraverso le strisce di grafene posizionate su una base di silicio. Credit: Young Duck Kim/Columbia Engineering

    Un gruppo di ricercatori ha sviluppato un transistor in grafene luminescente che funziona come il filamento di una lampadina.

    «Abbiamo creato la lampadina più sottile al mondo» scrive il coautore dello studio James Hone, ingegnere meccanico presso la Columbia University di New York.

    I tentativi per la creazione di una minuscola "lampadina" da posizionare su un chip per realizzare dei circuiti fotonici (circuiti simili a quelli elettrici che utilizzano la luce al posto della corrente elettrica), andavano avanti da molto tempo.

    Il problema è stato causato dalle dimensioni e dalla temperatura raggiunta dal materiale percorso dalla corrente. Generalmente i filamenti attraversati da corrente possono diventano estremamente caldi prima di iniziare ad emettere luce visibile. Secondo i ricercatori questo nuovo dispositivo a base di grafene è così efficiente e minuscolo che la tecnologia risultante potrebbe offrire nuovi modi per rendere possibile lo studio dei fenomeni ad alta temperatura su scala atomica.

    L’emissione di luce

    Quando la corrente elettrica scorre attraverso il filamento di una lampadina, di solito fatto di tungsteno, esso diventa incandescente e si illumina. Gli elettroni che si muovono attraverso il materiale del filamento collidono contro altri elettroni, cedendo energia. Durante tale processo quindi gli elettroni tornano ai precedenti livelli di energia ed emettono fotoni (luce).

    Per emettere luce è necessario che il filamento diventi incandescente, la temperatura arriva a toccare i 3000 °C. Per evitare che durante il passaggio di corrente elettrica il filamento bruci, i bulbi delle lampadine vengono riempiti con un gas inerte come l'argon anziché l’ossigeno. L’ossigeno infatti farebbe bruciare rapidamente il filamento delle lampadine rendendole inservibili nel giro di poco tempo.

    Nel nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzato delle strisce di grafene larghe alcuni micron e lunghe dai 6,5 ai 14 micron. Un micron è pari a un milionesimo di un metro, un capello umano è pari a circa 90 micron di spessore. Un elettrodo è stato fissato alle estremità di ogni striscia di grafene.

    «Intrappolando il calore in una regione specifica del materiale abbiamo aumentato l'efficienza dell'illuminazione. La temperatura degli elettroni al centro del grafene è di circa 3.000 °K [2726 °C], mentre la temperatura del reticolo di grafene è ancora circa 2.000 °K [1726 °C]» scrive Myung-Ho Bae, uno degli autori dello studio. Il ricercatore sostiene inoltre che «Il risultato è una zona calda al centro del filamento e la regione di emissione di luce è concentrata al centro del grafene, questo aspetto rende il materiale più efficiente ed è anche il motivo per cui gli elettrodi alle estremità del grafene non si fondono».

    «Solitamente il grafene non viene utilizzato mai da solo perché viene depositato su un substrato oppure viene incorporato all'interno di un altro materiale, per questo motivo si tratta della prima "lampadina" fatta di grafene» scrive Yun Daniel Park, professore di fisica presso l'Università nazionale di Seul e coleader del progetto.

    «Il grafene fisicamente sospeso non appoggiando su nessun altro materiale praticamente elimina tutte le possibilità di dispersione del calore» scrive Park. «Se il grafene è poggiato su un substrato, gran parte del calore verrà dissipata su tale substrato. Prima di noi altri gruppi di ricercatori avevano soltanto riportato che tramite il grafene l'emissione di luce nello spettro dell'infrarosso era risultata inefficiente».

     

     

    «Il principio del grafene è semplice, ma ci sono voluti alcuni anni per scoprirlo» scrive Park.

    "Ci sono voluti quasi cinque anni per capire il meccanismo esatto ma tutto sembra funzionare come abbiamo teorizzato. Il progetto sembra essersi rivelato una sorta di uovo di Colombo" continua il ricercatore. Saranno comunque necessari ulteriori studi prima di arrivare ad un possibile sviluppo commerciale del dispositivo.

    La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology.



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