quando io andavo all'Università, si insegnava che il carbonio elementare esisteva in solo tre forme allotropiche: il carbone amorfo, la grafite ed il diamante. Ma quanta strada è stata fatta poi! Prima è venuto fuori il carbonio in fibre (da un polimero precursore, raion o poliacrilonitrile, che viene pirolizzato sotto stiro e poi grafitizzato in forma fibrosa). Oggi è di così largo impiego nella nautica, nell'aeronautica, nella missilistica. Poi sono comparsi i nanotubi di carbonio che stanno rivoluzionando la tecnologia. Ad essi ho già accennato in un precedente articolo avente proprio quel titolo (in Archivi di http://boffa.blog.tiscali.it, gennaio 2006) . Infine, il grafene. La scoperta di questa supersottile variante della grafite (avvenuta nel 2004) ha valso il premio Nobel 2010 per la fisica ai due professori Andre Geim e Konstantin Novoselov dell'Università di Manchester. Il grafene ha proprietà straordinarie: è completamente trasparente, è il migliore conduttore del calore tra i materiali conosciuti, ha una conduttività elettrica uguale a quella del rame, non è permeabile neppure ad un gas con molecola piccolissima come l'elio. Un metro quadrato di questo materiale teso su due lati sopporta un peso di 4 kg, pur pesando meno di un mg. Lo strato ha lo spessore di un atomo. È un parente prossimo dei nanotubi di carbonio, che si possono considerare costituti da grafene arrotolato, e del buckminsterfullerene, detto anche buckyball (sfera poliedrica a 60 atomi di carbonio). La sua struttura a nido d'ape è fatta di tanti esagoni contigui (vedere nella figura allegata). Occorrono 7 milioni di strati per fare lo spessore di 1 mm. La grafite è in realtà costituita da tantissimi strati di grafene sovrapposti (vedere immagine nella figura). Quando si scrive con una matita gli strati che si trovano sulla punta si sfaldano e sulla carta si trovano anche strati di grafene. In altre parole scrivendo con una matita produciamo anche grafene. Usando un mezzo di imaging sofisticato (qual’è il microscopio a femtosecondi o microscopio 4D, detto così perché permette di vedere sia nello spazio che nel tempo) si è potuto osservare che i legami della grafite, sottoposti all'impatto di impulsi laser, sono elastici nella direzione perpendicolare ai piani degli atomi e che tendono a rassomigliare durante la compressione a quelli del grafene. Lo spessore del grafene è quello dell'atomo di carbonio più la nuvola elettronica delocalizzata tipica dei composti aromatici, cioè circa un quindicesimo di nanometro. Per avere informazioni sul microscopio 4D di cui è stato artefice, assieme ai suoi collaboratori, il premio Nobel Ahmed H. Zewail del California Institute of Technology, si veda sul Web l’articolo Microscopia in 4D per le scale atomiche - Le Scienze.htm. Un metodo pratico per produrre (in quantitativi di grammi) il grafene è la pirolisi a 1100 gradi centigradi dell'etossido di sodio seguita da un lavaggio con acqua. Qualcuno ha detto che è possibile preparare il grafene dalla grafite con la semplicissima tecnica dello scotch tape (nastro adesivo). Altri parlano della trasformazione della grafite in ossido e successiva riduzione con una sostanza aromatica solforata, il TTF, la cui formula è indicata in figura. Questo metodo è dell’Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences [Graphene From any lab!.htm (giugno 2012)]. Altri fanno passare a bassa pressione e ad alta temperatura il gas metano su di un substrato di rame opportunamente pretrattato [pubblicazione del 17.10.2011 da parte dell’Università di California - Santa Barbara]. Ma altri sostengono che in linea generale la produzione del grafene attualmente non è né facile né affidabile e che non si conosce un metodo sicuro e su vasta scala per farlo nascere e crescere in forme idonee per i dispositivi che si vogliono creare. Vedere a questo proposito Graphene Repairs Holes By Knitting Itself Back Together, Say Physicists - Technology Review.htm [THE PHYSICS ARXIV BLOG del 10.07.2012, edito da MIT].Una delle applicazioni del grafene è una nuova tecnica per il sequenziamento elettronico del DNA basata sulla proprietà che ha questo materiale di assorbirne - sotto l'azione di un campo elettrico - i filamenti nei suoi nanopori, e sulla risposta elettrica diversa delle 4 basi che compongono i filamenti. Ognuna delle basi ha infatti una specifica impronta digitale elettronica. Lo strato grafenico, ricoperto da un altro strato di biossido di titanio (per migliorarne le proprietà elettriche e meccaniche), viene interposto tra due camere contenenti una soluzione elettrolitica. Le molecole di DNA, aggiunte ad una delle due soluzioni, vengono sottoposte ad un campo elettrico passando attraverso un nanoporo allo stesso modo di un filo che passa attraverso la cruna di un ago e trovando una resistenza dovuta agli ioni che entrano contemporaneamente nei pori, e questa resistenza varia a seconda delle basi che lo compongono. Applicando una differenza di potenziale (dell’ordine dei 200 mV) attraverso la membrana di grafene, si osserva una serie di picchi corrispondenti a cadute di conduttanza, ognuna delle quali determinata da una delle 4 basi (A, C, G e T) presenti nel DNA quando esso passa attraverso lo squarcio. In altre parole, dalla perdita di corrente che attraversa i pori si risale alle basi presenti nella catena di DNA. I pori vengono praticati sullo strato di grafene da un apposito fascio di elettroni [Graphene could revolutionize DNA sequencing - physicsworld_com.htm]. Pori di diametro al di sotto del nanometro molto adatti per il sequenziamento sono stati realizzati all’Università del Texas a Dallas [Sub-nanometer graphene nanopores for low-cost DNA sequencing KurzweilAI.htm]. Vedere anche N. Lu, et al., In-situ studies on the shrinkage and expansion of graphene nanopores under electron beam irradiation at temperatures in the range of 400-1200°C, Carbon, 2012 riportato come riferimento nel precedente articolo. Ho posto l’immagine di un nanoporo visto al microscopio TEM tratta da Sub-nanometer graphene nanopores for low-cost DNA sequencing KurzweilAI.htm. Circa il funzionamento del TEM (microscopio elettronico a trasmissione), il più comune dei microscopi elettronici, per una sua generica conoscenza si rimanda a How electron microscopes work A simple introduction.htm. Ci chiediamo a questo punto perché il grafene nanoporoso è il materiale ideale per la determinazione delle sequenze. Ciò è dovuto alla sua estrema sottigliezza. L’azoturo di silicio (che viene anche impiegato per supportare il grafene) può avere pori di uno spessore minimo da 10 a 100 volte quello della distanza tra due nucleotidi della catena del DNA (pertanto troppo larghi), cosa che, nel caso lo si usasse da solo per lo scopo, renderebbe praticamente impossibile determinare la sequenza del DNA in base alle variazioni registrate nella corrente elettrica.segue su
http://boffa.blog.tiscali.it novembre 2012