Catene atomiche di carbonio: un passo avanti verso la nanoelettronica del futuro
Il futuro della nanoelettronica passa da una catena di atomi di carbonio. È questo il cuore di uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Chemistry, che apre nuove prospettive per la progettazione della prossima generazione di dispositivi elettronici su scala atomica.
L'articolo, dal titolo Charge transport through linear carbon atomic chainsy, vede tra gli autori Roberto Listo, dottorando del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni-DET del Politecnico, e Chiara Elfi Spano, già dottoranda dello stesso gruppo e promotrice della collaborazione scientifica con la University of Liverpool. Lo studio è stato condotto dal team di ricerca coordinato dal professore Andrea Vezzoli e dal ricercatore James M. F. Morris presso la University of Liverpool, con il contributo di Roberto Listo nell'ambito della collaborazione scientifica con l’Ateneo.
Lo studio affronta una delle sfide più affascinanti della scienza dei materiali: comprendere le proprietà del carbino, un allotropo del carbonio. Con il termine allotropo si indicano le diverse forme in cui uno stesso elemento può organizzare i propri atomi. Il carbino, quindi, è costituito esclusivamente da atomi di carbonio, proprio come il diamante e la grafite, ma in questo caso gli atomi sono disposti in un'unica catena lineare anziché in una struttura tridimensionale o in strati: è proprio questa particolare configurazione a conferirgli proprietà elettroniche e meccaniche uniche. Ma se, da un lato, il carbino è considerato uno dei materiali più promettenti per la nanoelettronica, dall'altro, la sua elevata instabilità lo rende estremamente difficile da sintetizzare, manipolare e caratterizzare sperimentalmente, limitandone sia lo studio sia le applicazioni.
Per superare questo limite, i ricercatori hanno sviluppato un approccio innovativo che consente di creare e stabilizzare catene atomiche lineari di carbonio direttamente tra due elettrodi d'oro. Il metodo si basa sulla transmetallazione, un processo chimico in cui un frammento molecolare viene trasferito da un metallo a un altro: in questo modo, la catena di carbonio viene inserita tra due elettrodi d'oro (Au), assumendo una configurazione del tipo Au|C...C|Au, in cui una catena lineare di massimo 16 atomi di carbonio (C) è direttamente collegata agli elettrodi, senza gruppi terminali.
I risultati hanno mostrato che la lunghezza della catena influenza direttamente il suo comportamento elettrico. Le catene più corte si comportano come oligoini, cioè conducono progressivamente meno elettricità all'aumentare della loro lunghezza. Quelle più lunghe, invece, tendono ad assumere una struttura di tipo cumulenico, che consente un trasporto della carica molto più efficiente.
A questo risultato, si aggiunge anche il particolare modo in cui la catena di carbonio è collegata agli elettrodi d'oro: il contatto diretto tra gli elettrodi e la catena si è infatti rivelato determinante. Questa configurazione Au|C...C|Au garantisce un'elevata conduttanza e consente agli elettroni di propagarsi con un trasporto quasi balistico, cioè con perdite di energia estremamente ridotte. Il lavoro apre così nuove prospettive per lo sviluppo di dispositivi nanoelettronici basati sul carbino e, più in generale, su materiali carboniosi unidimensionali.
Il contributo di Roberto Listo si inserisce nelle attività del Laboratorio QNANO del Politecnico, che opera nel campo delle quantum e nanotechnologies, sviluppando dispositivi, materiali e architetture e applicazioni innovative su scala nanometrica per le tecnologie computazionali quantistiche e nanoelettroniche del futuro.
La pubblicazione su Nature Chemistry, una delle più autorevoli riviste internazionali nel campo della chimica e della scienza dei materiali, rappresenta un importante riconoscimento della qualità della ricerca svolta.
Didascalia immagine di copertina: schema della configurazione Au|C...C|Au in cui una catena lineare di atomi di carbonio collega direttamente due elettrodi d'oro, consentendo lo studio del trasporto elettronico nel carbino.