Considerato uno dei materiali più promettenti per lo sviluppo delle tecnologie del futuro, dai microchip ad altissima velocità ai sensori di nuova generazione, il grafene deve le sue straordinarie proprietà a una struttura estremamente semplice: un singolo strato di atomi di carbonio. A uno sguardo macroscopico, e persino attraverso le tecniche di osservazione tradizionali, il materiale può apparire uniforme. È però proprio a scala nanometrica che si nascondono variazioni strutturali ed elettriche capaci di modificarne in modo significativo il comportamento.
È su questa dimensione invisibile alle analisi convenzionali che si è concentrato uno studio condotto da Sapienza Università di Roma, in collaborazione con il Politecnico di Torino e Graphenea. I ricercatori hanno messo a confronto le tecniche tradizionali di caratterizzazione del grafene con metodologie avanzate in grado di analizzarne le proprietà su scala nanometrica, portando alla luce difetti ed eterogeneità locali che le misure convenzionali tendono a nascondere. La ricerca è stata realizzata nell’ambito del progetto europeo CHALLENGES (Real time nano CHAracterization reLatEd techNloGiEeS) ed è stata pubblicata sulla rivista ACS Omega. L’immagine realizzata nell’ambito dello studio è stata inoltre scelta per la copertina del volume 11, fascicolo 34, del 1° settembre 2026 della rivista.
Una lente d’ingrandimento per il grafene
Da tempo il grafene viene studiato attraverso la spettroscopia Raman, una tecnica ottica che consente di ottenere informazioni sulla struttura del materiale e sulla presenza di difetti. Il metodo presenta però un limite: l’area analizzata è relativamente ampia e le informazioni raccolte rappresentano una sorta di media delle caratteristiche locali. Le differenze più piccole possono così rimanere nascoste.
Per superare questo limite, il team di ricerca ha utilizzato la TERS (Tip-Enhanced Raman Spectroscopy), una tecnica che combina la spettroscopia Raman con una sonda estremamente precisa. Il principio è simile a quello di una lente d’ingrandimento, ma applicato alla scala dei nanometri: la sonda permette infatti di concentrare l’analisi in regioni molto più piccole, aumentando sensibilmente il livello di dettaglio con cui è possibile osservare il materiale. L’approccio ha permesso di andare oltre l’apparente uniformità del grafene. Integrando le misure TERS con un’elaborazione matematica dei dati, i ricercatori hanno individuato una marcata varietà di micro-ambienti locali, distribuiti sulla superficie del materiale e non distinguibili attraverso le sole tecniche convenzionali.
Separare strain e doping
Uno degli aspetti più rilevanti dello studio riguarda la possibilità di distinguere e mappare separatamente due fattori fondamentali per il comportamento del grafene: le tensioni meccaniche locali, note come strain, e la distribuzione delle cariche elettriche, associata al doping. Questa distinzione consente di ottenere una rappresentazione molto più dettagliata delle proprietà del materiale, mostrando come caratteristiche che a una scala più ampia sembrano uniformi possano in realtà presentare variazioni significative quando vengono osservate nel dettaglio. Il risultato sottolinea così l’importanza di studiare i materiali avanzati alla scala alla quale si manifestano i fenomeni fisici che ne determinano le prestazioni. Nel caso del grafene, difetti, deformazioni e variazioni nella distribuzione delle cariche possono infatti assumere un ruolo determinante nel comportamento finale del materiale.
Un metodo applicabile oltre il grafene
La metodologia sviluppata dal gruppo di ricerca potrebbe avere applicazioni che vanno oltre il singolo materiale. La combinazione tra caratterizzazione TERS ed elaborazione matematica dei dati può infatti essere estesa allo studio di altre strutture bidimensionali e materiali nanostrutturati, nei quali piccole variazioni locali possono influenzare in maniera significativa le proprietà complessive. La possibilità di osservare e distinguere questi fenomeni su scala nanometrica offre quindi uno strumento per comprendere con maggiore precisione il comportamento dei materiali avanzati e, potenzialmente, per guidarne lo sviluppo verso applicazioni tecnologiche sempre più sofisticate.