Grafene

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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[1]

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[2] 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.[3]

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

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.[4]

Produzione[modifica | modifica wikitesto]

Grafene esfoliato[modifica | modifica wikitesto]

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.

Ossido-riduzione della grafite[modifica | modifica wikitesto]

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 (-COOH), 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[modifica | modifica wikitesto]

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[modifica | modifica wikitesto]

Struttura atomica[modifica | modifica wikitesto]

Il grafene ha una struttura composta da celle esagonali

Proprietà[modifica | modifica wikitesto]

Proprietà elettroniche[modifica | modifica wikitesto]

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

Proprietà ottiche[modifica | modifica wikitesto]

Il grafene è spesso solo un atomo, per questo può essere definito "bidimensionale". Se si applica del grafene su un qualunque oggetto, il grafene risulterà invisibile.

Proprietà termiche[modifica | modifica wikitesto]

il grafene è un ottimo conduttore termico grazie alla proprietà del carbonio

Proprietà meccaniche[modifica | modifica wikitesto]

Utilizzi e potenziali applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

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[5] 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.[6]

Circuiti integrati[modifica | modifica wikitesto]

I circuiti integrati, come dice la parola 'integrati', indica proprio la possibilità di integrare più circuiti logici in un unico sistema, visto che il grafene può essere lavorato a grandezza molecolare, nei limiti dei nanometri, come gia esplicitato sopra le proprietà fisiche e strutturali, si possono costruire mini circuiti logici in un unico sistema, avendo buona dispersione termica e un'ottima conducibilità elettrica potendo costruire dei chips all'avanguardia, con molte più logiche rispetto ad un comune processore e sforzando di meno le librerie, visto che si hanno più circuiti logici all'interno del chip; a paragone del motorola 68k, che anche avendo 8 registri di uso generale per le variabili e 8 per le librerie, basava la sua efficienza sulla velocità, ma questo portava problemi di surriscaldamento, avendo più logiche gia prefatte non deve usare solo 8 librerie più volte, ma si potranno costruire interi set di librerie che eseguono comandi specifici e quindi facendo riscaldare di meno i materiali che sotto induzione elettrica generano calore, ma che comunque i prossimi circuiti non avranno, sempre per l'efficiente dispersione termica del grafene.

Rilevazione di molecole di gas[modifica | modifica wikitesto]

Il grafene è stato proposto come un materiale capace di immagazzinare idrogeno. Infatti il grafene se deformato forma delle "creste", e l'idrogeno tende a accumularsi sulle punte delle creste del grafene. Per rilasciare il gas è necessario rilasciare la deformazione del grafene, in modo che l'idrogeno non trovi più la cresta.

Punti quantistici[modifica | modifica wikitesto]

Moltiplicatore di frequenza[modifica | modifica wikitesto]

Modulatore ottico[modifica | modifica wikitesto]

Ultracapacitori[modifica | modifica wikitesto]

Desalinizzazione[modifica | modifica wikitesto]

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".[7]

Progetti di sviluppo[modifica | modifica wikitesto]

Nel gennaio 2013 il progetto Graphene[8] (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[9]: scelti da una rosa di sei candidati[10], i due progetti beneficeranno di un sostegno finanziario di 1 miliardo di euro lungo dieci anni.

Tossicità[modifica | modifica wikitesto]

Una ricerca della Brown University afferma la potenziale tossicità del grafene per l'uomo, il quale intaccherebbe e danneggerebbe le cellule umane[11][12].

Curiosità[modifica | modifica wikitesto]

  • 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.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Grafene su panorama.it.
  2. ^ UK, realizzato un transistor di grafite
  3. ^ Il grafene a doppio strato, la prossima rivoluzione scientifica?
  4. ^ Boehm, H.P.; Setton, R. and Stumpp, E., Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds in Pure and Applied Chemistry, vol. 66, 1994, p. 1893-1901, DOI:10.1351/pac199466091893.
  5. ^ IBM sperimenta un transistor in grafene da 155GHz, Business Magazine, 11 aprile 2011.
  6. ^ IBM: dimostrazione di un transistor in grafene da 100GHz, Hardware Upgrade, 8 febbraio 2010. URL consultato il 9 febbraio 2010.
  7. ^ Grafene per purificare l'acqua - "Elimina sali e altre sostanze", La Repubblica, 5 luglio 2012. URL consultato l'8 luglio 2012.
  8. ^ Il sito del progetto Graphene
  9. ^ Nicola Nosengo, Ecco le tecnologie (europee) del futuro, 25 gennaio 2013, dal sito dell'Istituto dell'Enciclopedia italiana Treccani
  10. ^ Henry Markram, Il Progetto cervello umano, Le Scienze, agosto 2012, p. 46
  11. ^ (EN) http://www.pnas.org/content/early/2013/07/09/1222276110 Graphene microsheets enter cells through spontaneous membrane penetration at edge asperities and corner sites, PNAS
  12. ^ http://www.tomshw.it/cont/news/il-grafene-e-tossico-attacca-le-cellule-e-le-danneggia/47679/1.html Il grafene è tossico, attacca le cellule e le danneggia, Tom's hw

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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