• GrapheneLab 7 286 749x388 © 2016 IIT 5173
  • Graphene Plastic Wire 3996 749x388 © 2016 IIT 5174
  • 3B2A0736D 276 749x388 © 2016 IIT 5171
  • Graphene Anode Cathode 20160202 4755 749x388 © 2016 IIT 5172
  • IMG 5863D 4334 749x388 © 2016 IIT 5175
  • 3B2A0722D 271 749x388 © 2016 IIT 5170

La missione dei laboratori del grafene è quella di sviluppare una nuova classe di materiali intelligenti basati sul grafene ed altri cristalli bidimensionali di natura inorganica

 

La produzione di materiali bidimensionali viene effettuata seguendo due strategie differenti. Una prevede che il grafene venga prodotto mediante sublimazione ad alta temperatura del silicio da substrato di carburo di silicio (SiC), oppure con metodo di deposizione in fase vapore (CVD); quest’ultimo processo è utilizzato per produrre anche altri cristalli bidimensionali, come ad esempio i calcogenuri dei metalli di transizione (TMD). L’altra tecnica, utilizzata e sviluppata nei nostri laboratori, riguarda l’esfoliazione in fase liquida di cristalli stratificati, come ad esempio la grafite, per la realizzazione del grafene. In particolare, quest’ultima tipologia di produzione ci permette di realizzare inchiostri funzionali che possono essere depositati su diversi substrati, sia rigidi che flessibili, con tecniche di stampa di interesse industriale. Attraverso lo sviluppo di dimostratori vogliamo definire una serie di nuove potenziali applicazioni in specifici settori: energia, materiali compositi, optoelettronica e biotecnologia. Il piano strategico dei Laboratori del grafene è sviluppato all’interno del progetto Europeo Flagship Grapheene (2013-2023) http://www.graphene-flagship.eu.

Nella nostra attività, diamo particolare importanza al trasferimento tecnologico e alla divulgazione dell’attività scientifica. In questo contesto, i Laboratori del Grafene di IIT hanno lo scopo di essere una piattaforma di condivisione con le aziende manifatturiere italiane, interessate sia nell’inserimento del grafene e di altri cristalli bidimensionali all’interno di materiali compositi e prodotti già commercializzati, sia nella creazione di dispositivi di nuova generazione. Questa attività è sviluppata su una linea di ricerca pilota per la produzione di cristalli bidimensionali sia in fase liquida che in forma di polvere.

Attività

Abbiamo come obiettivo lo sviluppo di strumenti di nuova concezione basati su sistemi di alta qualità incapsulati con grafene, lo studio e la ricerca di cristalli bidimensionali, come pure di prototipi di eterostrutture di tipo van der Waals, cioè composti di grafene e altri cristalli bidimensionali.

In particolare, realizziamo modelli teorici dell’interazione fonone-elettrone, e dell’ impatto dei fononi sulle proprietà di trasporto e di rilassamento degli “hot carriers”. Inoltre, studiamo le proprietà non armoniche del grafene. Gli studi teorici sono condotti su diversi aspetti: densità di carica, transizioni di Mott, ferromagnetismo, antiferromagnetismo, o superconduzione in materiali bidimensionali drogati. Infine, studiamo – sperimentalmente e teoreticamente – il trasporto del calore e le proprietà termoelettriche di eterostrutture di diversi materiali bidimensionali.

Partecipanti

Pubblicazioni principali

Siamo in grado di sviluppare materiali bidimensionali usando tecniche complementari. Ci concentriamo sullo sviluppo del processo CVD e sulla caratterizzazione del grafene e dei calcogenuri dei metalli di transizione non ancora sintetizzati, misurando la fotoresponsività in dispositivi (opto) elettronici. Sintetizziamo e caratteriziamo anche eterostrutture complesse, quali grafene/nitruro di boro. Infine, fabbrichiamo eterostrutture verticali composte da almeno due differenti materiali TMDs o TMD/grafene, controllando lo spessore e l’omogeneità

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

  • F. Bianco et al THz saturable absorption in turbostratic multilayer graphene on silicon carbide. Opt Express 23, 11632-40 (2015)
  • V. Miseikis et al Rapid CVD growth of millimetre-sized single crystal graphene using a cold-wall reactor. 2D Mater. 2, 014006 (2015)
  • N. Mishra et al Rapid and catalyst-free van der Waals epitaxy of graphene on hexagonal boron nitride. Carbon 96, 497-502 (2016)

Studiamo l’impatto dei materiali bidimensionali, come il grafene, il grafene funzionalizzato e l’ossido di grafene, in- vitro, su tessuti di polmoni, pelle, barriere gastriche e renali, e sulle cellule e tessuti neuronali. Sfruttiamo, inoltre, le proprietà conduttive del grafene per la realizzazione di interfacce neuronali, e studiamo la fisiologia di cellule neuronali e barriere biologiche testate con i materiali a base grafene. In fine valutiamo la metabolomica e proteomica delle interazioni del grafene con i sistemi biologici.

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

  • P. Wick et al Classification framework for graphene-based materials. Angew. Chem. Int.  53, 7714-7718 (2014)

Sviluppiamo ed utilizziamo tecnologie per apparecchi biomedici dedicati allo stimolo elettrico, per impianti retinali e apparecchi per la caratterizzazione funzionale in-vitro del sistema corticale nervoso (CNS), retinale, corticale e a struttura profonda e del sistema nervoso periferico (PNS). In particolare, prepariamo e testiamo elettrochimicamente strumenti multi-strato per la modulazione dell’attività neuronale su seta o substrati polimerici composti di un film conduttivo di grafene e polimeri fotosensibili coniugati aventi differenti proprietà di assorbimento della radiazione elettromagnetica. Inoltre, assicuriamo la capacità di valutazione degli strumenti sviluppati per registrare l’attività biologica in culture cellulari in vitro.

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

Puntiamo ad esplorare i cristalli bidimensionali per applicazioni in fotonica, anche nell’intervallo del THz, avvalendoci dell’apporto di studi teorici. In particolare, lavoriamo su: fotorilevatori integrati a guida d’onda (PDs) per la piattaforma di silicone, su isolante; PDs ultra sensibili per il rilevamento di fotoni singoli o a bassa intensità; fotorilevatori flessibili; terza generazione di suono armonico ed altisonante a finestra controllata; rame protetto con grafene e plasmonica inargento; rilevamento con chip elettronici di plasmoni in grafene; matrici di grafene plasmonico per fotorilevazione medio-IR e “sensing” medio-IR, così come su eccitazione risonante di onde plasma in THz FETs.

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

  • F. Bianco et al Terahertz detection by epitaxial-graphene field-effect-transistors on silicon carbide. Appl. Phys. Lett. 107, 131104 (2015)
  • F. Di Stasio et al Single-mode lasing from colloidal water-soluble CdSe/CdS quantum dot-in-rods. Small 11, 1328-1334 (2015)
  • D. Spirito et al UV Light detection from CdS nanocrystal sensitized graphene photodetectors at kHz frequencies. J. Phys. Chem. C 119, 23859-23864 (2015)
  • I. Torre et al Electrical plasmon detection in graphene wave guides. Phys. Rev. B 91, 081402 (2015)
  • S. Zanotto et al Magneto-optic transmittance modulation observed in a hybrid graphene–split ring resonator terahertz metasurface. Appl. Phys. Lett107, 121104 (2015)

L’attività è incentrata sullo sviluppo di celle solari inorganiche basate su “quantum dots” inorganici colloidali (QDs), di celle solari a base di cristalli di perovskite, come pure le celle di Grätzel. In particolare, sulla base di varie combinazioni di materiali – come per esempio i nanocristalli trapiantati su TMDC– puntiamo ad ottenere un’efficienza di conversione superiore al 7% per le celle solari inorganiche basate sui QDs. Stiamo sviluppando le celle a perovskite utilizzando grafene e altri cristalli bidimensionali per aumentare l’efficienza e la stabilità delle celle. L’uso dei cristalli bidimensionali migliora le proprietà di trasporto di elettroni e lacune, e la loro raccolta ai rispettivi elettrodi. Inoltre stiamo esplorando la possibilità di realizzare celle solari di Grätzel basate su pigmenti naturali, dove l’additivazione del grafene e altri cristalli bidimensionali facilita l’iniezione degli elettroni dal colorante naturale al biossido di titanio, ed evita processi di ricombinazione degli elettroni da parte del sensibilizzatore ossidato. Inoltre, stiamo sviluppando inchiostri di grafene da depositare su superfici ampie per la realizzazione di moduli fotovoltaici.

Partecipanti

Collaborazioni iterne

Pubblicazioni principali

  • J. Q. Grim et al A sustainable future for photonic colloidal nanocrystals. Chem. Soc. Rev. 44, 5897-5914 (2015)
  • B. Martin-Garcia et al Efficient charge transfer in solution-processed PbS quantum dot–reduced graphene oxide hybrid materials. J. Mater. Chem. C 3, 7088-7095 (2015)
  • E. Quesnel et al Graphene-based technologies for energy applications, challenges and perspectives. 2D Mater. 2, 030204 (2015)

L’attività di ricerca è imperniata sullo sviluppo di supercondensatori, batterie e sistemi di immagazzinamento di idrogeno basati su grafene ed altri cristalli bidimensionali (per esempio cristalli 2D come MXene, VOPO4, MoS2, WSe2, MO3 e MnO2). Inoltre, stiamo lavorando verso lo sviluppo di supercondensatori flessibili e collaboriamo allo sviluppo di una linea pilota per la realizzazione di supercondensatori basati su tecnologia di deposizione spray. Sviluppiamo anche materiali per batterie Li-ion/Na-ion, che vengono successivamente depositati con varie tecniche per realizzare elettrodi funzionali per l’assemblaggio di batterie complete e la loro caratterizzazione elettrochimica. Un’altra attività in fase di avvio riguarda la realizzazione di batterie flessibili per l’integrazione in “wearable electronics”. Infine, stiamo progettando la realizzazione di architetture porose tridimensionali con elevati valori di area superficiale.

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

  • J. Bartelmess et al Boron dipyrromethene (BODIPY) Functionalized Carbon Nano-Onions for High Resolution Cellular Imaging. Nanoscale 6, 13761-13769 (2014)
  • J. Bartelmess et al Carbon Nanomaterials: Multi-Functional Agents for Biomedical Fluorescence and Raman Imaging. Chem. Soc. Rev. 444672-4698 (2015)
  • M. Frasconi et al Multi-Functionalized Carbon Nano-onions as Imaging Probes for Cancer Cells. Chem. Eur J. 21, 19071-19080 (2015)

Sviluppiamo ed ottimizziamo metodi di integrazione del grafene e altri cristalli bidimensionali all’interno di compositi polimerici. In particolare, studiamo i valori di soglia della percolazione elettrica nelle matrici polimeriche, in modo da determinare la relazione tra le proprietà morfologiche (i.e. dimensione laterale e spessore) dei nanocristalli additivati e le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche su scala macroscopica dei compositi finali. Infine, misuriamo la funzionalità dei compositi polimerici-grafene come barriera contro la permeazione dei gas. Alcune di queste attività vengono sviluppate in collaborazione con aziende industriali (vedi trasferimento tecnologico).

Partecipanti

Collaborazioni interne

Pubblicazioni principali

Laboratori

I laboratori del grafene possiedono la strumentazione, allo stato dell’arte, per la produzione dei cristalli bidimensionali e la loro prototipazione, e la realizzazione di dispositivi, sia per la conversione che per l’accumulo di energia. Infatti, all’interno dei laboratori sono presenti sistemi per l’esfoliazione dei cristalli stratificati e per la successiva formulazione di inchiostri (ultrasonicatori, sistemi di micronizzazione a getto umido, omogenizzatori, ultracentifughe), la loro caratterizzazione (spettroscopia µ-Raman/TERS, spettroscopia XPS, angolo di contatto, reometro) e deposizione (stampante a getto di inchiostro, flexografia, serigrafia e spray). Inoltre, vi è la filiera di produzione di materiali compositi polimerici: estrusore bivite corotante (primavera 2016), stampa a iniezione e stampa tridimensionale. Laboratori aggiuntivi e piattaforme sono condivise con altri ricercatori dell’IIT, che collaborano attivamente con i laboratori del grafene (vedi attività).

Progetti

  • FP7 Collaborative Project FLAGSHIP GRAPHENE (contract n. 604391)
    Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond
    Person in charge for IIT: V. Pellegrini. IIT contribution: € 497.724. Project start: October 1st 2013. End: March 31st 2016

Collaborazioni

Abbiamo diverse collaborazioni sia all’interno che all’esterno della comunità del Grafene, includendo i gruppi delle Università di Manchester (GB), Cambridge (GB), Columbia (USA), la National University di Singapore, il Trinity College di Dublino (Irlanda), il Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italia) e la Scuola Normale Superiore (Italia).

 

Il trasferimento tecnologico è parte della missione dell’IIT sin dal suo primo inizio

"L’Istituto Italiano di Tecnologia promuove l’eccellenza in ricerca fondamentale e applicata, sviluppa alta formazione nell’area delle scienze e tecnologia e promuove l’evoluzione dell’industria verso le aree di avanguardia dell’innovazione tecnologica"

  • In pratica questa missione è implementata attraverso:
  • Studi realizzabili e progetti in tecnologie applicate, sviluppati in stretta collaborazione con le industrie.
  • Laboratori congiunti tra IIT e Aziende
  • Concessione di licenze relative a tecnologie sviluppate all’interno dell’IIT, basate su know-how o tecnologie brevettate.

Creazione di aziende Spin-off basate su tecnologia IIT.

Per maggiori informazioni a proposito del trasferimento tecnologico dell’IIT, controllare [link TT].

In questo contesto, i laboratori del Grafene IIT puntano a rappresentare una piattaforma condivisa per le aziende manifatturiere italiane.

I Laboratori del Grafene lavorano in cooperazione con il gruppo dei materiali intelligenti dell’IIT e in stretta collaborazione con molte aziende a livello industriale, con l’obiettivo di sviluppare e testare nuove soluzioni per il mercato di loro interesse. Attualmente abbiamo accordi di collaborazione in atto con diverse aziende che operano in differenti settori, dal fotovoltaico all’immagazzinamento di energia, ai dispositivi di protezione individuale, cablaggio e materiali compositi per diverse applicazioni.

Per raggiungere questo obiettivo, un importante progetto è partito nel 2014, che recentemente ha portato alla creazione di una compagnia Start UP.: Bedimensional

Partecipanti

Collaborazioni

Logo Directa Plus
Logo Baldassari Cavi
eni
elkam
Logo Momo Design
Luxottica Logo
palladino
gewiss
Logo Maricell
Logo MU