Grafene
Prima che urliate al repost posto -gioco di parole unintended- l’articolo in cui se ne era più o meno parlato su LN ossia questo, l’articolo che state leggendo tuttavia avrà carattere differente in quanto si tratta più di un approfondimento e non di una notizia.
Ok fatta la premessa iniziamo a parlare di questo innovativo ritrovato tecnologico.
Il Grafene è uno dei materiali più interessanti recentemente scoperti sia per le sue incredibili proprietà che per la quantità impressionante di applicazioni possibili, ottenuto per la prima volta nel 2004 da Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov è valso ai due fisici dell’università di Manchester il Premio Nobel nel 2010.
Sapete come si è scoperto il materiale più promettente del ventunesimo secolo?
Nastro adesivo e grafite.
Aspetta cosa?
No non avete letto male, il tutto è efficacemente dimostrato da questo video.
C’è da sapere che la Grafite, il minerale che ritroviamo nelle mine delle matite, può essere considerato come un enorme agglomerato di fogli di grafene il problema all’inizio era che si pensava fosse impossibile isolare un singolo foglio date le sue piccolissime dimensioni, Gejm e Novoselov sono considerati i padri del grafene appunto per essere riusciti a ricavarlo con una tecnica così assurdamente semplice.
Proprietà
Graphene is a flat monolayer of carbon atoms tightly packed into a two-dimensional (2D) honeycomb lattice, and is a basic building block for graphitic materials of all other dimensionalities.
Struttura atomica
Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, è “bidimensionale” poichè è appunto spesso quanto un solo atomo, ed ha una struttura a nido d’ape dunque si dispone in esagoni con angoli di 120°.
La sua struttura atomica è stata studiata grazie alla microscopia elettronica a trasmissione, guardando dei fogli in sospensione in una griglia metallica si è potuta vedere la disposizione esagonale degli atomi, prima soltanto teorizzata.
Creazione chimica
Fogli di grafene solubili possono anche essere prodotti in laboratorio attraverso la modificazione chimica della grafite; I microcristalli di grafite vengono trattati con una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico, e successivamente ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene con gruppi carbossilici ai bordi.
Proprietà elettroniche
Risultati sperimentali hanno dimostrato che il Grafene ha una conduttività elettrica sbalorditiva, molto più elevata di quella del rame o di altri materiali, la sua resistività è inoltre inferiore di quella dell’argento, il materiale con più bassa resistività a temperatura ambiente conosciuto.
Proprietà termiche
La conducibilità termica del grafene a temperature vicine a quelle dell’ambiente è stata superiore a quella calcolata in nanotubi di diamante e di carbonio che si distinguono per l’elevata conducibilità.
Attualmente si pensa che queste sue proprietà termiche dipendano direttamente dalla sua versione tridimensionale, la grafite appunto, che è nota per avere la più alta temperatura di fusione e un elevata conducibilità termica.
Proprietà meccaniche
Il grafene è uno dei materiali più resistenti mai testati in laboratorio infatti ha un carico di rottura di 200 volte superiore a quello dell’acciaio e una resistenza alla trazione altrettanto elevata.
Tuttavia, il processo di separazione dalla grafite, in cui si verifica naturalmente, richiede un certo sviluppo tecnologico prima che sia abbastanza economico per essere utilizzato nei processi industriali, anche se questo potrebbe cambiare a breve dato che moltissimi team di ingegneri e fisici stanno lavorando a questo materiale.
Possibili applicazioni
From the point of view of physics, graphene is a goldmine. You can study it for ages.”
Essendo un materiale straordinario, il grafene porta con se una moltitudine di applicazioni possibili, quì esploreremo le principali.
Elettronica
Un promettente scenario di applicazione è quello della creazione di apparecchi elettronici basati sulla fisica quantistica che rivoluzionerebbe in maniera sorprendente la concezione stessa di calcolo elettronico.
Essendo il grafene praticamente bidimensionale gli elettroni si muovono al suo interno virtualmente senza alcuna resistenza, per avere massa nel senso tradizionale un’oggetto deve avere volume ma gli elettroni schiacciati all’interno del grafene non ne hanno, si comportano dunque come particelle quantistiche prive di massa.
In modo analogo a quanto succede solo negli acceleratori di particelle o nel cosmo tra le particelle che viaggiano alla velocità della luce, questa straordinaria caratteristica permette di sondare alcune parti dell’universo subatomico senza un immane dispendio energetico e senza il bisogno di acceleratori.
Transistor
Il team di Manchester nel 2008 ha creato 1 transistor di grafene grande un nanometro, non solo di grandezza inferiore al più piccolo transistor ottenibile dal silicio ma anche il limite fisico alla legge di moore a detta di Novoselov.
L’anno scorso il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor all'UCLA raggiungendo i 300Ghz. Risultati stupefacenti ma sopratutto molto più alti di quelli dei corrispettivi transistor in Arseniuro di Gallio.
Rilevatore di gas
In via teorica il grafene potrebbe essere un rilevatore di gas perfetto in quanto la sua struttura in 2D permetterebbe di rilevare le molecole, tuttavia la superficie non è in grado di catturare molecole, dunque è “non sensitivo” intrinsecamente.
Le sue capacità potrebbero essere notevolmente migliorate però rivestendolo con dei polimeri che attrarrebbero le molecole gassose permettendo così ai sensori al grafene di captarle.
Elettrodi conduttori trasparenti
L’elevata conduttività elettrica del grafene e la sua alta trasparenza ottica lo rendono un perfetto candidato per elettrodi conduttori trasparenti, necessari per applicazioni quali touchscreen, display a cristalli liquidi, celle fotovoltaiche organiche, e OLED.
Presto dunque, grazie alla sua resistenza meccanica e alla sua flessiblità potremmo ritrovarci con schermi e touchscreen flessibili in un futuro non troppo lontano!
Altre possibili applicazioni
A causa del rapporto tra le sue grandi dimensioni rispetto alla sua minuscola massa, si pensa che sarà presto possibile produrre supercondensatori al grafene con una capacità di immagazzinamento di gran lunga maggiore a quanto possibile al giorno d’oggi.
L’accademia cinese delle scienze ha poi scoperto che i fogli di ossido di grafene sono efficace nell’uccisione di batteri come l’ Escherichia coli, si pensa dunque che in futuro si potrà usare il grafene per produrre nanocarta antibatterica per uso alimentare, per la conservazione e la pulizia dei cibi.
Il grafene ha un costo elevato di produzione ma visti i vantaggi un prezzo sostenibile. Non resta che vedere nei prossimi anni cos’altro tireranno fuori dal cappello i fisici e gli ingegneri sul grafene, e se l’industria investirà effettivamente in questo materiale. Comunque vada noi saremo qui a parlarne!
