Il grafene, materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, non cessa di stupire per le sue molteplici potenzialità applicative, ma quale il suo rapporto con l’internet delle cose?
Il carbonio si presenta in diverse forme, e a diamante, grafite e carbone amorfo si sono poi aggiunti fullereni e nanotubi di carbonio. Nel 2004 viene scoperto il grafene, reticolo a nido d'ape di atomi di carbonio con spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo. Questo materiale ha iniziato a essere oggetto di studi e ricerche che hanno portato a individuare proprietà insospettate, tra cui la capacità di condurre elettricità anche a un limite di concentrazione nominale pari a zero di portatori di carica. Recentemente è stato scoperto che in determinate condizioni un flusso di corrente che attraversa uno strato di grafene può produrre un “optical boom”, cioè un intenso raggio di luce focalizzato, fenomeno derivante dal fatto che gli elettroni attraversano il grafene a una velocità che è circa pari a 1/300 di quella della luce nel vuoto, da cui la possibilità di usare questo materiale per produrre luce. Ma questi esempi non portano certo a ipotizzare un rapporto tra grafene e IoT.
Una nuova proprietà del Grafene
Le comunicazioni wireless operano in differenti bande di frequenza e in prospettiva, per operare attraverso piattaforme IoT multiple, i dispositivi connessi dovranno poter lavorare contemporaneamente in diverse bande di frequenza, ma senza essere soggetti a un eccessivo carico hardware. Attualmente molti sistemi wireless prevedono della logica riconfigurabile che può agire sull’antenna per consentire invio e ricezione dati in più bande di frequenza. Il problema di fondo è quello per cui le tecnologie attuali, basate su MEMS e MOS con utilizzo di silicio o metalli, non lavorano bene alle alte frequenze, che sono poi quelle che garantiscono data transfer più veloci. Tra i vari centri impegnati nelle ricerche sul grafene, all’EPFL, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, sono riusciti a creare un dispositivo basato su grafene che è sintonizzabile su frequenze diverse, sia basse che alte e che, a detta dei ricercatori svizzeri, potrebbe sostituire i condensatori sintonizzabili presenti nei dispositivi wireless e incrementare velocità ed efficienza delle comunicazioni, con immediati benefici sulle applicazioni Internet of Things. Tra i plus evidenziati, la garanzia di avere quanto con i condensatori MEMS o MOS non si può ottenete, e cioè ottime performance ad alte frequenza, tuning con bassi consumi di energia ed elevata miniaturizzazione: un sistema MEMS convenzionale dovrebbe avere una superficie 100 volte più grande per dare lo stesso valore di capacità.
Alcuni dettagli tecnologici
Quando il grafene fu scoperto circa 10 anni fa, l’intera comunità scientifica si stupì per le sue caratteristiche uniche: ottimo conduttore elettrico e termico, flessibile, leggero, trasparente e robusto. Ma c’è un difetto: è estremamente difficile integrarlo in sistemi elettronici in quanto il suo spessore monoatomico gli conferisce un’elevata resistenza. I ricercatori dell’EPFL sono però riusciti a bypassare questo problema ideando una struttura a sandwich e sfruttando la fenomenologia del cosiddetto pozzo quantico (quantum well), noto anche come buca di potenziale, che confina le particelle forzandone la localizzazione. Semplificando al massimo, gli effetti del confinamento quantico si manifestano quando lo spessore del pozzo è paragonabile alla lunghezza di coerenza dei portatori portatori di carica, quindi gli elettroni, che vengono a occupare nel pozzo un numero discreto di livelli energetici, formando un gas sostanzialmente bidimensionale che si comporta come la capacità di un condensatore, in questo caso denominata “quantum capacitance”, che può essere misurata ma anche è soprattutto essere soggetta a tuning variando la densità di carica nel grafene, operazione che richiede una tensione molto bassa. Alla fine, applicando una tensione si può sintonizzare questo nuovo tipo di condensatore su una data frequenza. Il risultato tecnologico finale sarà comunque una struttura ibrida in cui il grafene sarà accoppiato blocchi funzione in silicio.
