Che cos’è il grafene? Ecco cosa devi sapere su un materiale che potrebbe essere il prossimo silicio

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Graphene, un materiale emergente che potrebbe cambiare il modo in cui sono fatti i componenti elettronici e aiutare le prestazioni di calcolo a continuare a crescere, è ovunque nel mondo della ricerca in questi giorni.

Solo questo mese, i progressi suggeriscono che potrebbe aumentare la velocità di Internet, servire come rivestimento sensibile al tocco e prolungare la vita dei computer. È più forte del diamante e conduce l’elettricità e il calore meglio di qualsiasi altro materiale mai scoperto, e probabilmente giocherà un ruolo importante in molti prodotti e processi in futuro.

Che cos’è il grafene?

Il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio che sono legati insieme in un modello ripetuto di esagoni. Il grafene è un milione di volte più sottile della carta; così sottile da essere considerato bidimensionale.

Il carbonio è un elemento incredibilmente versatile. A seconda di come sono disposti gli atomi, può produrre diamanti duri o grafite morbida. Il modello piatto a nido d’ape del grafene gli garantisce molte caratteristiche insolite, compreso lo status di materiale più forte del mondo. Il professore di ingegneria meccanica della Columbia University, James Hone, una volta ha detto che è “così forte che ci vorrebbe un elefante, in equilibrio su una matita, per rompere un foglio di grafene dello spessore di Saran Wrap”, secondo l’università.

Questi singoli strati di atomi di carbonio forniscono la base per altri materiali importanti. La grafite – o mina di matita – si forma quando si impila il grafene. I nanotubi di carbonio, che sono un altro materiale emergente, sono fatti di grafene arrotolato. Questi sono usati nelle biciclette, nelle racchette da tennis e persino nell’ingegneria dei tessuti viventi.

Come è stato scoperto?

Ci sono buone probabilità che tu abbia fatto il grafene molte volte nella tua vita. Disegnate una linea con una matita e piccoli pezzi di grafene si sfaldano. Ma nessuno aveva gli strumenti e l’interesse per isolare in modo affidabile il grafene fino ai primi anni 2000.

Il grafene è stato studiato teoricamente per la prima volta negli anni 40. All’epoca, gli scienziati pensavano che fosse fisicamente impossibile che esistesse un materiale bidimensionale, quindi non cercarono di isolare il grafene. Decenni dopo, l’interesse è aumentato e i ricercatori hanno cominciato a sognare tecniche per separare la grafite. Hanno provato ad incastrare molecole tra strati di grafene e a raschiare e sfregare la grafite, ma non sono mai arrivati ad un singolo strato. Alla fine, sono stati in grado di isolare il grafene sopra altri materiali, ma non da solo.

Nel 2002, il ricercatore dell’Università di Manchester Andre Geim si è interessato al grafene e ha sfidato uno studente di dottorato a lucidare un pezzo di grafite fino al minor numero possibile di strati. Lo studente fu in grado di raggiungere 1.000 strati, ma non riuscì a raggiungere l’obiettivo di Geim di 10-100 strati. Geim ha provato un approccio diverso: il nastro adesivo. Lo applicò alla grafite e lo staccò per creare fiocchi di grafene a strati. Più bucce di nastro hanno creato strati sempre più sottili, fino ad avere un pezzo di grafene spesso 10 strati.

Il team di Geim ha lavorato per raffinare la sua tecnica e alla fine ha prodotto un singolo strato di atomi di carbonio. Hanno pubblicato i loro risultati su “Science” nell’ottobre 2004. Geim e il suo collega Kostya Novoselov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2010 per il loro lavoro.

Da quei primi fiocchi fatti con il nastro, la produzione di grafene è migliorata a un ritmo rapido. Nel 2009, i ricercatori sono stati in grado di creare una pellicola di grafene che misurava 30 pollici di diametro.

Perché è insolito?

Il documento di Geim e Novoselov è stato molto interessante per gli altri scienziati per la sua descrizione delle strane proprietà fisiche del grafene. Gli elettroni si muovono attraverso il grafene in modo incredibilmente veloce e cominciano a mostrare comportamenti come se fossero senza massa, imitando la fisica che governa le particelle su scale super piccole.

“Questo tipo di interazione all’interno di un solido, per quanto si sappia, è unico al grafene”, hanno scritto Geim e un altro famoso ricercatore del grafene, Philip Kim, in un articolo del 2008 su Scientific American. “Grazie a questo nuovo materiale ricavato da una matita, la meccanica quantistica relativistica non è più confinata alla cosmologia o alla fisica delle alte energie; ora è entrata in laboratorio.”

Le proprietà speciali del grafene non si fermano alla fisica strana. È anche:

• Conduttivo: Gli elettroni sono le particelle che compongono l’elettricità. Quindi, quando il grafene permette agli elettroni di muoversi rapidamente, sta permettendo all’elettricità di muoversi rapidamente. È noto per muovere gli elettroni 200 volte più velocemente del silicio perché viaggiano con così poca interruzione. È anche un eccellente conduttore di calore. Il grafene è conduttivo indipendentemente dalla temperatura e funziona normalmente a temperatura ambiente.
• Forte: Come detto prima, ci vorrebbe un elefante con un eccellente equilibrio per sfondare un foglio di grafene. È molto forte grazie alla sua struttura ininterrotta e ai forti legami tra gli atomi di carbonio. Anche quando i pezzi di grafene sono cuciti insieme, rimane il materiale più forte in circolazione.
• Flessibile: Questi forti legami tra gli atomi di carbonio del grafene sono anche molto flessibili. Possono essere attorcigliati, tirati e curvati fino a un certo punto senza rompersi, il che significa che il grafene è pieghevole e allungabile.
• Trasparente: Il grafene assorbe il 2,3% della luce visibile che lo colpisce, il che significa che si può vedere attraverso di esso senza dover affrontare alcun bagliore.

A cosa può servire?

L’uso del grafene nella vita quotidiana non è lontano, grazie in parte alla ricerca esistente sui nanotubi di carbonio – la versione arrotolata e cilindrica del grafene. I tubi sono stati resi popolari da un articolo del 1991 (abbonamento richiesto) e propagandati per le loro incredibili qualità fisiche, la maggior parte delle quali sono molto simili al grafene. Ma è più facile produrre grandi fogli di grafene e può essere fatto in modo simile al silicio. Molte delle applicazioni attuali e previste per i nanotubi di carbonio vengono ora adattate al grafene.

Alcune delle maggiori applicazioni emergenti sono:

• Celle solari: Le celle solari si basano sui semiconduttori per assorbire la luce del sole. I semiconduttori sono fatti di un elemento come il silicio e hanno due strati di elettroni. In uno strato, gli elettroni sono calmi e rimangono al lato del semiconduttore. Nell’altro strato, gli elettroni possono muoversi liberamente, formando un flusso di elettricità. Le celle solari funzionano trasferendo l’energia dalle particelle di luce agli elettroni calmi, che si eccitano e saltano verso lo strato a flusso libero, creando più elettricità. Gli strati di elettroni del grafene in realtà si sovrappongono, il che significa che è necessaria meno energia luminosa per far saltare gli elettroni tra gli strati. In futuro, questa proprietà potrebbe dare origine a celle solari molto efficienti. L’uso del grafene permetterebbe anche celle che sono centinaia di migliaia di volte più sottili e leggere di quelle che si basano sul silicio.

  

• Transistor: I chip dei computer si basano su miliardi di transistor per controllare il flusso di elettricità nei loro circuiti. La ricerca si è concentrata soprattutto sul rendere i chip più potenti inserendo più transistor, e il grafene potrebbe certamente dare origine ai transistor più sottili. Ma i transistor possono anche essere resi più potenti accelerando il flusso di elettroni – le particelle che compongono l’elettricità. Mentre la scienza si avvicina al limite di quanto piccoli possano essere i transistor, il grafene potrebbe spingere indietro il limite sia muovendo gli elettroni più velocemente che riducendo la loro dimensione a pochi atomi o meno.
• Schermi trasparenti: Dispositivi come televisori al plasma e telefoni sono comunemente rivestiti con un materiale chiamato ossido di indio-stagno. I produttori sono attivamente alla ricerca di alternative che potrebbero tagliare i costi e fornire una migliore conduttività, flessibilità e trasparenza. Il grafene è un’opzione emergente. Non è riflettente e appare molto trasparente. La sua conduttività lo qualifica anche come rivestimento per creare dispositivi touchscreen. Poiché il grafene è sia forte che sottile, può piegarsi senza rompersi, il che lo rende un buon abbinamento per l’elettronica pieghevole che presto arriverà sul mercato.

Il grafene potrebbe anche avere applicazioni per i sensori delle telecamere, il sequenziamento del DNA, il rilevamento dei gas, il rafforzamento dei materiali, la desalinizzazione dell’acqua e altro ancora.

Quali sono le critiche?

Il grafene è ancora in uno stadio infantile rispetto a materiali sviluppati come il silicio e l’ITO. Per essere ampiamente adottato, dovrà essere producibile in grandi quantità a costi uguali o inferiori ai materiali esistenti. Le emergenti tecniche di produzione roll-to-roll, il deposito di vapore e altre tecniche suggeriscono che questo è possibile, ma non sono ancora pronte per portare il grafene su ogni schermo di dispositivo mobile là fuori. I ricercatori dovranno anche continuare a lavorare per migliorare la trasparenza e la conduttività del grafene nella sua forma commerciale.

Mentre il grafene è promettente per i transistor, ha un grosso problema: non può spegnere il flusso di elettricità “off” come materiali come il silicio, il che significa che l’elettricità scorre costantemente. Questo significa che il grafene non può servire da solo come transistor. I ricercatori stanno ora esplorando modi per adattarlo e combinarlo con altri materiali per superare questa limitazione. Una tecnica consiste nel mettere uno strato di nitruro di boro – un altro materiale spesso un atomo – tra due strati di grafene. Il transistor risultante può essere acceso e spento, ma la velocità degli elettroni è in qualche modo rallentata. Un’altra tecnica prevede l’introduzione di impurità nel grafene.

Il grafene potrebbe anche emergere troppo tardi per molte delle sue possibili applicazioni. Le batterie delle auto elettriche e la fibra di carbonio potrebbero essere fatte con il grafene, ma si basano già sul carbone attivo e sulla grafite, rispettivamente – due materiali molto economici. Il grafene rimarrà più costoso per il momento, e potrebbe non essere mai abbastanza economico da convincere i produttori a cambiare.

Il mondo ha solo un decennio di esplorazione di ciò che può fare con il grafene. Al contrario, il silicio esiste da quasi 200 anni. Al ritmo con cui la ricerca si sta muovendo, potremmo sapere molto presto se il grafene diventerà onnipresente o solo un altro passo nella scoperta del prossimo materiale delle meraviglie.