Grafene

Modello molecolare del grafene, si noti la struttura a celle esagonali.

Un blocco di grafite, un transistor al grafene e un dispenser di nastro adesivo, donati al Nobel Museum di Stoccolma da Andre Geim e Konstantin Novoselov nel 2010.

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica.

Come suggerisce la desinenza -ene del nome, gli atomi sono ibridati nella forma sp², e si dispongono quindi a formare esagoni con angoli di 120°. In presenza di imperfezioni (pentagoni o ettagoni invece degli esagoni), la struttura si deforma: quando ci sono 12 pentagoni, si ha un fullerene. La presenza di singoli pentagoni o ettagoni provoca invece increspature della superficie.

Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004 sono valse il premio Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andrej Gejm e Konstantin Novoselov dell'Università di Manchester. Nonostante i problemi iniziali riscontrati nell'applicabilità del grafene a singolo strato, i due fisici hanno evoluto il materiale fino alla costruzione del cosiddetto grafene a doppio strato, il quale garantisce più resistenza e flessibilità di utilizzo.

Descrizione

Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture di tipo pentagonale o ettagonale costituiscono infatti dei difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha la formazione di un fullerene. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella. Quindi l'inserimento controllato di tali celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubi di carbonio a singola parete possono essere considerati come dei cilindri di grafene; talvolta alle estremità di questi nanotubi si possono trovare delle strutture emisferiche, costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo".

La definizione ufficiale del grafene data dalla IUPAC è la seguente:

Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può essere considerato come l'elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all'interno dei composti della grafite. Il termine "strato di grafene" viene comunemente utilizzato all'interno della terminologia del carbonio.

Produzione

Esfoliazione meccanica

L'esfoliazione meccanica della grafite consiste nell'applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino ad ottenere il singolo strato. I primi tentativi in tal senso sono stati riportati già nel 1998, quando l'interazione di punte per analisi AFM (microscopio a forza atomica) e STM (microscopio a effetto tunnel) con la superficie della grafite fu sfruttata per fornire un'energia sufficiente a superare le forze di attrazione inter-piano e portare alla rimozione e isolamento dello strato monoatomico cristallino. In seguito, il gruppo di André Geim, ha sviluppato un metodo molto semplice, divenuto universalmente noto come il metodo scotch-tape, che usa del semplice nastro adesivo per esfoliare la grafite. La tecnica consiste nel porre la superficie di un cristallo di grafite sul nastro adesivo, staccare il nastro e pelare così alcuni strati di materiale. Il nastro con l'impronta della grafite viene quindi ripiegato su se stesso e svolto per diverse volte. Ogni volta, i fiocchi deposti si dividono in strati sempre più sottili. Alla fine del processo, i sottili fiocchi adesi possono essere trasferiti in maniera semplice ad un substrato isolante. L'esfoliazione meccanica è il metodo più semplice ed accessibile per isolare fiocchi di grafene della dimensione di alcuni micron quadri, utili per la ricerca di base sulle sue proprietà. Purtroppo questo metodo non si offre per una produzione di tipo industriale.

Esfoliazione in fase liquida

Il metodo si basa sull'ultilizzo delle forze di pressione che si possono generare all'interno di un liquido. Ia grafite in polvere viene mescolata ad un solvente dotato delle opportune qualità fisiche da un punto di vista della viscosità, della tensione superficiale, etc... (tipicamente 1-metil-2-pirrolidone) oppure in una miscela di acqua e surfattante. La sospensione viene quindi sottoposta ad una violenta miscelazione attraverso onde ultrasoniche, o mixer ad alta forza di taglio, o mulino a biglie etc... Tali processi creano all'interno del liquido sia forze di taglio che cavitazione che causano rompono i cristalli di grafite secondo il piano basale, riducendoli a fogli sempre più sottili e, idealmente, singoli fogli di grafene. La sospensione risultante dal processo viene successivamente purificata per mezzo di ultracentrifugazione. Tale metodo risulta uno dei più promettenti dal punto di vista della scalabilità permettendo di ottenere grandi quantità di grafene ottima qualità. Per contro, i fiocchi risultano piuttosto piccoli come dimensioni laterali.

Ossido-riduzione della grafite

Finora gli sforzi dei ricercatori sono stati diretti soprattutto verso l'esfoliazione dell'ossido di grafite (GO), un materiale avente la stessa struttura lamellare della grafite nel quale però alcuni atomi di carbonio presentano legami con ossigeno sotto forma di ossidrili (-OH) o di carbonili (C=O) o più raramente di carbossili, ed in cui la distanza tra gli strati di grafene aumenta a causa dell'ingombro dell'ossigeno. La sua natura fortemente idrofilica consente di ottenere, mediante l'utilizzo di onde acustiche ultrasoniche, l'intercalazione (ovvero l'inclusione reversibile di molecole all'interno di altre molecole o gruppi) di molecole d'acqua e, conseguentemente, una semplice e pressoché completa esfoliazione (~90%) del materiale in strati monoatomici di GO. Il grafene ossido è però un materiale isolante in cui i legami con l'ossigeno devono essere scissi ed il carbonio ridotto per poter avere le stesse proprietà del grafene. Sono stati sperimentati con successo sia metodi di riduzione di tipo chimico (mediante idrazina N2H4, idrochinone, sodio boro idruro o anche vitamina C) che metodi termici o UV che hanno prodotto materiali con conducibilità nell'ordine dei 102 S cm-1.

Metodo chimico

Il grafene viene ottenuto in laboratorio dalla grafite. I cristalli 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. Mediante trattamento con cloruro di tionile (SOCl₂), queste molecole periferiche vengono trasformate in cloruri acilici (alogenuri acilici composti da un acile e un atomo di cloro) e poi in ammidi. Il risultato è un cerchio di grafene solubile in tetraidrofurano, tetraclorometano e dicloroetano.

Altri metodi

• Crescita epitassiale su carburo di silicio
• Crescita epitassiale su substrati metallici
• Crescita da fusione di carbonio-metallo
• Pirolisi dell'etossido di sodio
• Da nanotubi di carbonio
• Metodo di riduzione del diossido di carbonio

Struttura atomica

Il grafene ha una struttura composta da celle esagonali.

Proprietà

Proprietà elettroniche

Il grafene presenta ottime caratteristiche come conduttore. Per questo motivo si pensa che il grafene verrà presto utilizzato in molti oggetti tecnologici sul mercato.

Proprietà ottiche

Un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in grado di assorbire il 2.3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo spettro ottico. Per confronto, un film di silicio con lo stesso spessore assorbirebbe solo lo 0.03% della luce.

Proprietà termiche

Il grafene è un ottimo conduttore termico anche se il carbonio, essendo un non metallo, non conduce il calore. Infatti il grafene acquista questa proprietà dalla grafite, forma allotropica del carbonio che riesce a condurre l'energia termica e che, sfogliata a livelli monoatomici, dà appunto il materiale delle meraviglie: il grafene.

Utilizzi e potenziali applicazioni

Il grafene mostra delle ottime caratteristiche come conduttore, ed è oggetto di intensi programmi di studio al fine di utilizzarlo per la realizzazione di sistemi a semiconduttori. Nel 2010, un gruppo di ricerca della IBM è riuscito a realizzare un transistor al grafene con una frequenza di funzionamento massima di 100 GHz e lunghezza del gate di 240 nm; Nel 2011, sempre IBM è riuscita a realizzare un transistor dello stesso materiale con una frequenza di 155 GHz e lunghezza del gate di 40 nm. Sempre nel 2010, all'UCLA, un altro test con il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor raggiungendo i 300 GHz. Analoghi transistor realizzati con tecnologie all'arseniuro di gallio hanno una frequenza massima di 40 GHz. Una delle principali applicazioni dei materiali a base di grafene, già disponibili a livello industriale riguarda i nanocompositi polimerici, ottenuti incorporando grafene (come nano-carica) nella matrice polimerica di base.

Rilevazione di molecole di gas

Il grafene è stato proposto come un materiale capace di immagazzinare idrogeno, infatti, se deformato, forma delle "creste", e l'idrogeno tende a accumularsi sulle punte di tali creste. Per rilasciare il gas è necessario eliminare la deformazione del grafene, in modo che l'idrogeno non trovi più appiglio alla cresta. Tali risultati sono frutto del lungo lavoro messo in atto dall'Adanascelo team nell'isola di Hokkaido, in Giappone.

Illuminazione

Alcuni ricercatori della Columbia Engineering hanno realizzato una lampadina miniaturizzata, capace di emettere luce grazie a un filamento incandescente di grafene, analogamente a quanto avviene nelle comuni lampadine con filamento di tungsteno. Per ottenere questo risultato gli scienziati hanno applicato dei piccoli elettrodi metallici su strisce di grafene invisibili ad occhio nudo. Quando nel circuito passa corrente elettrica, il grafene si riscalda fino a 2500 °C emettendo luce visibile. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Nature Nenotechnology nel 2015.

Desalinizzazione

Un esperimento di osmosi inversa è stato condotto negli Stati Uniti dai ricercatori del Massachusetts Institute of Technology. "La struttura molecolare peculiare del grafene consente di creare dei fori di qualsiasi dimensione sulla sua superficie. Questo ci ha permesso di far passare l'acqua da una parte e i sali dall'altra", hanno spiegato i ricercatori sulla rivista dell'American Chemical Society. "La dimostrazione di questo processo di osmosi inversa non è nulla di nuovo, ma erano necessari equipaggiamenti ingombranti e un alto consumo energetico. Tramite il grafene, invece, il processo di desalinizzazione si può svolgere 1000 volte più velocemente e a un costo energetico pari a zero".

Progetti di sviluppo

Nel gennaio 2013 il progetto Graphene (insieme al progetto Human Brain Project) è stato selezionato dalla Commissione europea tra i FET Flagships, i progetti faro di ricerca e sviluppo promossi dall'Unione europea: scelti da una rosa di sei candidati, i due progetti beneficeranno di un sostegno finanziario di 1 miliardo di euro lungo dieci anni.

Tossicità

Una ricerca della Brown University afferma la potenziale tossicità del grafene per l'uomo, in quanto intaccherebbe e danneggerebbe le cellule umane per via della sua natura bidimensionale.

Curiosità

• Nel quattordicesimo episodio della terza stagione del telefilm "The Big Bang Theory" intitolato "The Einstein Approximation", uno dei protagonisti, Sheldon Cooper, si sforza (fino all'ossessione) di capire perché gli elettroni si comportano come se fossero privi di massa quando si muovono in un foglio di grafene.

Voci correlate

• Nanoribbon di grafene
• Fullerene
• Nanotubo di carbonio
• Grafano
• Grafino
• Hanns-Peter Boehm
• Ossido di grafite
• Premio Nobel per la fisica 2010
• carbyne
• Silicene
• Germanene

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su grafene

Collegamenti esterni

• Graphene-Info Graphene news and resources (english)
• (EN) Un documento PDF dell'Università di Princeton sul grafene (PDF), su princeton.edu.
• Notizia sull'impiego del grafene nella produzione di computer, su ampletech.net.
• Servizio della trasmissione televisiva Superquark sul grafene, su rai.tv.
• Template:Thesaurus BNCF
• Massimiliano Razzano, Le sorprese del grafene il "materiale delle meraviglie", in La Repubblica, 18 aprile 2012. URL consultato il 19 aprile 2012.