Costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, il grafene unisce la resistenza del diamante alla flessibilit\u00e0 della plastica, ed \u00e8 il materiale pi\u00f9 resistente che si conosca. Per alcuni sar\u00e0 al centro della prossima rivoluzione tecnologica.<\/h2>\n\n\n\n
Focus di di Valerio Alessandroni<\/em><\/p>\n\n\n\n
Un recente premio assegnato a tre scienziati estoni per il loro lavoro sulla tecnologia degli ultracondensatori ha riconfermato il grande interesse per il grafene in molti campi applicativi. In particolare, il trio formato da Jaan Leis, Mati Arulepp e Anti Perkson ha vinto il premio European Inventor of the Year dell\u2019Ufficio europeo dei brevetti (EPO) per il lavoro svolto sulla tecnologia del grafene curvo. Brevettata dalla societ\u00e0 estone Skeleton Technologies, la tecnologia del grafene curvo aumenta la quantit\u00e0 di energia immagazzinata dagli ultracondensatori, consentendo un tempo di ricarica di circa 15 s, con la possibilit\u00e0 di un milione di cicli di carica, senza l\u2019utilizzo di materiali tossici.<\/p>\n\n\n\n
Il candidato ideale per sostituire<\/strong> altri materiali convenzionali<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
I tentativi di isolare e caratterizzare il grafene iniziarono nel 1800, molto prima della scoperta di Andrej Gejm e Konstantin Novoselov dell\u2019Universit\u00e0 di Manchester nel 2004, che valse loro il premio Nobel per la fisica. Con un solo atomo di spessore, il grafene \u00e8 oggi la sostanza pi\u00f9 sottile e versatile al mondo, dalle molteplici propriet\u00e0: conduce il calore e l\u2019elettricit\u00e0, \u00e8 flessibile e leggero, unisce straordinarie caratteristiche di resistenza meccanica e a trazione e ha un\u2019elevata stabilit\u00e0 chimica. Monostrati di grafene impilati l\u2019uno sull\u2019altro formano grafite. Poich\u00e9 un tipico atomo di carbonio ha un diametro di circa 0,33 nm, ci sono circa 3 milioni di strati di grafene in un foglio di grafite spesso 1 mm. Il nuovo materiale sta cambiando le regole del mercato globale grazie alla sua potenziale diffusione negli ambiti pi\u00f9 disparati, dalla moda, al design, alle batterie, alle nanotecnologie. La combinazione di queste straordinarie propriet\u00e0 rende il grafene un materiale unico, ma ci\u00f2 che ne fa davvero un\u2019enorme promessa in una prospettiva macroeconomica \u00e8 che in sostanza si tratta di carbonio, ossia di uno degli elementi pi\u00f9 abbondanti sulla Terra. Questo \u00e8 il motivo per cui il grafene ha attirato un enorme interesse sociale, economico e industriale negli ultimi anni, ed \u00e8 per questo che alcune fonti prevedono che sar\u00e0 al centro della prossima rivoluzione tecnologica. I materiali a base di grafene sono emersi come i candidati ideali per sostituire altri materiali convenzionali attualmente utilizzati come elettrodi nei dispositivi di accumulo di energia (la maggior parte dei quali \u00e8 a base di grafite o altre forme di carbonio). Tuttavia, oggi i metodi per la produzione di materiali a base di grafene richiedono trasformazioni chimiche in pi\u00f9 fasi, rendendo la loro produzione industriale ancora difficile e molto costosa.<\/p>\n\n\n\n\n<\/figure>\n\n\n\nIl grafene \nconduce il calore due volte meglio del diamante.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\nFra gli ambiti pi\u00f9 disparati \nin cui pu\u00f2 essere impiegato il grafene, ci sono le nanotecnologie.\n<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\nIl grafene \n\u00e8 uno dei migliori conduttori elettrici \nsul pianeta.<\/figcaption><\/figure>\n<\/figure>\n\n\n\n
I metodi per la sintesi del grafene<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
La sintesi del grafene \u00e8 qualsiasi processo di fabbricazione o estrazione del grafene dalla grafite. Il metodo migliore \u00e8 regolato dalla dimensione, la quantit\u00e0 e la purezza desiderate. La tecnica di sintesi contribuisce alla struttura e alle propriet\u00e0 del grafene prodotto. I produttori commerciali di grafene utilizzano vari percorsi di produzione. In particolare, i metodi \u201cbottom-up\u201d si basano principalmente sulla deposizione chimica in fase vapore (CVD) di composti ricchi di carbonio, per formare fogli di carbonio 2D.\u00a0La qualit\u00e0 ottenuta dal grafene \u201cbottom-up\u201d \u00e8 generalmente elevata, ma purtroppo questi metodi non sono facilmente scalabili e risultano costosi. Al contrario, i metodi \u201ctop-down\u201d utilizzano tecniche molto pi\u00f9 economiche e scalabili. Molte vie di sintesi su larga scala comportano fasi intermedie di esfoliazione dell\u2019ossido di grafene (GO) e successiva riduzione a ossido di grafene ridotto (rGO). Tuttavia, i buoni risultati ottenuti in termini di resa vanno a scapito della qualit\u00e0 e della costanza.<\/p>\n\n\n\n
Verso una produzione sostenibile,<\/strong> a basso costo e di alta qualit\u00e0<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Attualmente, le tecniche pi\u00f9 comuni disponibili per la produzione di grafene includono: clivaggio micromeccanico, CVD, crescita epitassiale su substrati di carburo di silicio (SiC), riduzione chimica dell\u2019ossido di grafene esfoliato, esfoliazione in fase liquida (LPE) di grafite e decompressione di nanotubi di carbonio. Ciascuno di questi metodi pu\u00f2 presentare vantaggi e limitazioni a seconda delle applicazioni di destinazione. Al fine di superare queste barriere nella commercializzazione del grafene, i ricercatori di tutto il mondo stanno compiendo sforzi concertati per sviluppare nuovi metodi per la produzione su larga scala di grafene a basso costo e di alta qualit\u00e0, tramite un metodo semplice e approcci ecologici. I ricercatori sono gi\u00e0 riusciti a produrre grandi pellicole di grafene simili a cristalli singoli, lunghe pi\u00f9 di 30 cm praticamente su qualsiasi superficie piana, un passo verso la commercializzazione.<\/p>\n\n\n\n
Le principali propriet\u00e0 del grafene<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Il grafene ha delle eccellenti propriet\u00e0 elettroniche, essendo uno dei migliori conduttori elettrici sulla Terra. L\u2019esclusiva disposizione atomica degli atomi di carbonio nel grafene consente ai suoi elettroni di muoversi facilmente a velocit\u00e0 molto elevate senza significative dispersioni, risparmiando preziosa energia tipicamente persa in altri conduttori. Gli elettroni che si muovono attorno agli atomi di carbonio interagiscono con il potenziale periodico del reticolo a nido d\u2019ape del grafene, dando origine a nuove quasiparticelle che hanno perso la loro massa, o massa a riposo. Ci\u00f2 significa che il grafene non smette mai di condurre. \u00c8 stato anche scoperto che nel grafene gli elettroni viaggiano molto pi\u00f9 velocemente che in altri semiconduttori. Ecco altre caratteristiche: la mobilit\u00e0 elettronica del grafene \u00e8 cento volte maggiore rispetto a quella del silicio; conduce il calore due volte meglio del diamante; la sua conduttivit\u00e0 elettrica \u00e8 tredici volte migliore del rame; assorbe solo il 2,3% della luce riflettente; \u00e8 impermeabile, impedendo anche all\u2019atomo pi\u00f9 piccolo (elio) di passare attraverso un foglio di grafene monostrato privo di difetti; la sua elevata superficie di 2.630 m2 per grammo significa che con meno di 3 grammi si potrebbe coprire un intero campo da calcio.<\/p>\n\n\n\n
Le eccezionali propriet\u00e0 meccaniche intrinseche del grafene, la sua rigidit\u00e0, resistenza e tenacit\u00e0 sono uno dei motivi per cui si distingue sia come materiale individuale, sia come agente di rinforzo nei materiali compositi. Ci\u00f2 deriva dalla stabilit\u00e0 dei legami che formano il reticolo esagonale, e che si oppongono alle deformazioni nel piano. Il grafene monostrato privo di difetti \u00e8 considerato il materiale pi\u00f9 resistente mai testato con una resistenza di 42 N m-1, che equivale a una resistenza intrinseca di 130 GPa. La tenacit\u00e0 alla frattura, che \u00e8 una propriet\u00e0 molto rilevante per le applicazioni ingegneristiche, \u00e8 una delle propriet\u00e0 meccaniche pi\u00f9 importanti del grafene, ed \u00e8 stata misurata come fattore critico di intensit\u00e0 di sollecitazione di 4,0 \u00b10,6 MPa. Gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando allo sviluppo di fogli di grafene fabbricabili industrialmente, con un\u2019elevata resistenza e tenacit\u00e0 in tutte le direzioni dei fogli stessi per diverse applicazioni come compositi a base di grafene per veicoli, optoelettronica e impianti neurali.<\/p>\n\n\n\n
Quali sono le potenziali applicazioni?<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
La combinazione delle propriet\u00e0 del grafene offre un\u2019ampia piattaforma per lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione in molte aree: elettronica indossabile e superveloce, sensori ultrasensibili, compositi e rivestimenti multifunzionali, membrane, medicina e biotecnologia, raccolta e stoccaggio di energia. Il grafene pu\u00f2 essere inoltre combinato con altri elementi (compresi gas e metalli) per produrre materiali diversi con diverse propriet\u00e0 superiori.\u00a0Tra le possibili applicazioni del grafene possiamo annoverare: batterie, transistor, chip per computer, generazione di energia, supercondensatori, filtri per l\u2019acqua, antenne, touchscreen per display LCD o OLED e celle solari. In particolare, un\u2019applicazione nel settore dell\u2019elettronica riguarda le batterie al litio, i cui elettrodi sono generalmente costituiti dalla grafite.\u00a0Il grafene, in sostituzione a quest\u2019ultima, pu\u00f2 aumentare la vita utile della batteria e renderla pi\u00f9 efficiente. Il grafene \u00e8 infine l\u2019elemento costitutivo di base per altri materiali grafitici come i nanotubi di carbonio. Pi\u00f9 duro del diamante ma pi\u00f9 elastico della gomma, pi\u00f9 resistente dell\u2019acciaio ma pi\u00f9 leggero dell\u2019alluminio: il grafene \u00e8 il materiale pi\u00f9 resistente conosciuto.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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