Il grafene è un materiale rivoluzionario dalle infinite potenzialità. Cerchiamo di capire cos’è, come si ottiene e quali sono le sue applicazioni. Come cambierà la nostra vita e quali sfide devono affrontare i ricercatori per poterlo usare nella vita reale

Il grafene è un materiale formato da uno strato di atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale. Si tratta di un materiale a base di carbonio, estremamente sottile e leggero, che vanta una resistenza e una conducibilità termica ed elettrica straordinarie. Le sue proprietà eccezionali hanno attirato l’interesse di numerosi settori scientifici e industriali, fino ad essere considerato il materiale del futuro.

La sua elevata trasparenza e flessibilità lo rendono ideale per applicazioni in vari campi, dalla tecnologia all’ingegneria all’elettronica, dalla medicina alla biotecnologia fino all’ernergia. In questo articolo vedremo cos’è il grafene e come si ottiene, quali sono le sue principali applicazioni nll’ambito della tecnologia e elttronica, della medicina e nella produzione di materiali innovativi, ma anche quali sono le sfide da superare.

Indice

Cos’è il grafene

Il grafene può essere considerato come un foglio di grafite, il materiale usato nelle matite, che è formato da diversi suoi strati sovrapposti. E’ stato teorizzato per la prima volta nel 1947 dal fisico Philip Russell Wallace, ma è stato isolato sperimentalmente solo nel 2004 dai fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester con un metodo semplice ma efficace: hanno preso un pezzo di matita e l’hanno sfregata con un nastro adesivo, ottenendo dei frammenti di grafene che sono rimasti attaccati al nastro.

Per questo scoperta, Geim e Novoselov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2010. Il grafene è un allotropo del carbonio, cioè una delle sue possibili forme cristalline. Il carbonio può formare diversi allotropi, come diamante, grafite, nanotubi di carbonio e fullereni. Il grafene è il più sottile tra tutti, essendo formato da un solo strato di atomi di carbonio legati tra loro con legami covalenti. Ha una forma bidimensionale, cioè ha uno spessore di un solo atomo e una lunghezza e una larghezza molto maggiori.

Proprietà del grafene

Il grafene è un materiale dalle proprietà sorprendenti, che lo rendono unico e versatile. Vediamo quali sono le principali caratteristiche che lo distinguono dagli altri materiali.

Resistenza Il grafene è il materiale più resistente mai scoperto, con una resistenza alla trazione di circa 130 GPa, superiore a quella dell’acciaio e del diamante. Questo significa che per rompere un foglio spesso quanto un foglio di carta, servirebbe una forza pari al peso di un elefante.

Leggerezza E’ il materiale più leggero conosciuto, con una densità di 0,77 mg/m2, inferiore a quella dell’aria. Un foglio di grafene di un metro quadrato pesa meno di un milligrammo.

Conducibilità E’ un ottimo conduttore di calore e di elettricità, con una conducibilità termica di circa 5000 W/mK, superiore a quella del rame e del diamante, e una mobilità elettronica di circa 200.000 cm2/Vs, superiore a quella del silicio. Questo significa che il grafene può trasportare calore ed elettroni con grande efficienza e velocità.

Trasparenza E’ quasi completamente trasparente alla luce visibile, con un’assorbanza di circa il 2,3%. Questo significa che un suo foglio lascia passare quasi tutta la luce che lo colpisce, senza rifletterla o disperderla.

Flessibilità E’ estremamente flessibile e pieghevole, con un raggio di curvatura minimo di circa 0,007 nm. Questo significa che un foglio di grafene può essere piegato, arrotolato o stirato senza perdere le sue proprietà.

Come si produce il grafene

La produzione e la sintesi del grafene possono avvenire attraverso vari metodi, ognuno con vantaggi e vantaggi. Dalla meccanica esfoliazione al processo di deposizione chimica da vapore (CVD), i ricercatori stanno sviluppando diverse tecniche per produrlo in modo efficiente e su larga scala. L’ottimizzazione di questi processi di produzione è essenziale per garantire la qualità e la quantità necessarie per le applicazioni industriali.

Il grafene si può ottenere con i metodi top-down e bottom-up. I metodi top-down partono da un materiale preesistente, come il grafite o il carburo di silicio, e lo riducono a strati sottili. Questi metodi sono semplici ed economici, ma producono del materiale di qualità inferiore, con difetti e impurità. I metodi bottom-up partono da molecole o atomi di carbonio e li assemblano in strati di grafene. Questi metodi sono più complessi e costosi, ma producono materiale di qualità superiore, con una maggiore purezza e uniformità.

Applicazioni nell’elettronica

L’industria elettronica ha abbracciato il grafene come una soluzione innovativa per migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici. La sua straordinaria conducibilità elettrica lo rende un materiale ideale per la produzione di transistor ad alta velocità e schermi flessibili. Il grafene ha il potenziale per trasformare radicalmente il settore dell’elettronica, consentendo lo sviluppo di dispositivi più veloci, efficienti e leggeri rispetto alle tecnologie esistenti.

La migliore caratteristica di questo materiale è che può condurre elettricità, quindi può essere utilizzato come transistor, con maggiore efficienza rispetto al silicio e anche come emettitore di luce al posto dei diodi. Oltre a dispositivi elettronici, schermi, batterie, sensori, le sue caratteristiche lo rendono adatto per la produzione di schermi pieghevoli, touch screen, pannelli solari e dispositivi indossabili.

Il grafene può aumentare la capacità e la durata delle batterie, grazie alla sua elevata superficie e alla sua capacità di immagazzinare energia. Può anche essere usato per creare sensori sensibili a variazioni di pressione, temperatura, umidità e luce, utili per applicazioni in ambito biomedico, ambientale e di sicurezza. Infine, il grafene può migliorare le prestazioni dei chip e delle memorie, rendendoli più veloci, più piccoli e più resistenti.

Applicazioni in altri campi

Il grafene è ritenuto il materiale del futuro perchè consentirà di avere prestazioni molto superiori nei dispositivi elettronici, ma non solo. Si tratta infatti di un materiale molto duro e resistente, anche agli acidi, dieci volte più forte dell’acciaio e leggerissimo, sei volte più leggero dell’acciaio. Per questo motivo potrà venire impiegato in molteplici settori, dagli aeroplani, ai razzi, fino alle automobili ai pc e ai dispositivi portatili.

Combinato con altri materiali, come metalli, polimeri, ceramici o altri nanomateriali, può creare materiali compositi con proprietà superiori e nuove funzionalità. Ad esempio, può migliorare la resistenza meccanica, la conducibilità termica o la capacità di stoccaggio dell’energia di altri materiali. Inoltre può essere modificato chimicamente o fisicamente per ottenere diverse forme, come nanotubi, nanofogli o nanosfere, che possono avere applicazioni specifiche in vari settori.

Oltre alle sue applicazioni nell’industria elettronica, il grafene sta mostrando un notevole potenziale anche nel settore medico. La sua biocompatibilità e capacità di interagire con il corpo umano lo rendono un candidato promettente per una varietà di applicazioni biomateriali. Ad esempio sensori diagnostici avanzati in grado di rilevare malattie, infezioni e alterazioni genetiche, piattaforme di rilascio di farmaci e dispositivi di imaging ad alta risoluzione. Può anche essere usato per creare impianti neurali per stimolare o ripristinare le funzioni cerebrali compromesse da traumi o patologie.

Nel settore ingegneristico il grafene può rinforzare materiali compositi, come plastica, gomma, metallo e ceramica. Infatti è il materiale più resistente al mondo, capace di sopportare carichi enormi senza rompersi o deformarsi. Aggiungendo il grafene ad altri materiali si ottengono compositi più leggeri, più duri e più resistenti all’usura e alla corrosione. Questi compositi possono essere impiegati per la costruzione di veicoli, aerei, navi, edifici e infrastrutture.

Futuro e sfide del grafene

Attorno al grafene si è sviluppata una vasta ricerca scientifica e tecnologica a livello globale. Esistono numerosi progetti e iniziative che coinvolgono ricercatori, imprese, istituzioni e società civile per esplorare le sue potenzialità. Il Graphene Flagship è un progetto europeo che mira a trasferire i risultati della ricerca sul grafene dal laboratorio al mercato, coinvolgendo oltre 150 partner da 23 paesi. Altri esempi sono il National Graphene Institute del Regno Unito, il Graphene Research Centre di Singapore o il National Graphene Research and Development Center della Corea del Sud.

Malgrado le enormi potenzialità, nel futuro del grafene però ci sono alcuni ostacoli da superare. E’ un materiale difficile da produrre in grandi quantità e a basso costo, a causa della sua complessità strutturale e della necessità di mantenere la sua purezza e qualità. Alcuni metodi di produzione, come l’esfoliazione meccanica o la deposizione chimica da vapore, sono ancora limitati in termini di rendimento e di scala. Altri metodi, come la sintesi chimica o la riduzione termica, richiedono l’uso di sostanze chimiche tossiche o di alte temperature, che possono compromettere le proprietà del materiale o causare problemi ambientali.

Il grafene è un materiale molto eterogeneo, che può presentare diverse forme, dimensioni, spessori, difetti e funzionalizzazioni. Questa diversità rende difficile la caratterizzazione e la standardizzazione del materiale, che sono necessarie per garantire la sua qualità, sicurezza e compatibilità con le diverse applicazioni. Inoltre, esistono ancora pochi metodi affidabili e non distruttivi per misurare le sue proprietà come conducibilità, resistenza o trasparenza.

Essendo un materiale relativamente nuovo, non ha ancora una regolamentazione specifica a livello nazionale o internazionale. Ci sono ancora molte incertezze sul suo impatto ambientale e sulla sua tossicità per gli esseri viventi. Alcuni studi hanno mostrato che il grafene può causare danni ai polmoni, al fegato o al cervello se inalato o ingerito. Altri studi hanno evidenziato i possibili effetti sull’attività elettrica delle cellule nervose o sulla funzione immunitaria. Questi aspetti richiedono ulteriori ricerche e valutazioni per stabilire i limiti di esposizione e le norme di sicurezza per il suo uso.


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Autore: Redazione
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