Grafene
  • Categoria dell'articolo:Scienza / Tecnologia
  • Ultima modifica dell'articolo:11 Dicembre 2022

Il grafene è un un materiale spesso un solo atomo è le sue proprietà sono davvero tante. 300 volte più resistente dell’acciaio, più duro del diamante, un fantastico conduttore di calore e di elettricità ed è super flessibile.

Nell’ultima ricerca sul grafene, pubblicata, i ricercatori della Vanderbilt University hanno trovato un modo per superare uno dei difetti più problematici del grafene: un’elevata sensibilità alle influenze esterne che fa sì che i dispositivi a base di grafene funzionino più lentamente di quanto dovrebbero.

I ricercatori hanno trovato un modo per smorzare le influenze esterne sul grafene e hanno quindi potuto osservare gli elettroni che si muovono attraverso il loro grafene tre volte più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza.

Questo sviluppo potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi a base di grafene, inclusi touch screen e pannelli solari.

Cos’è il grafene?

Molto semplicemente, il grafene è una nuova forma strutturale (o “allotropo” ) del carbonio, uno degli elementi più versatili dell’universo. È stato scoperto nel 2004 dai fisici di origine russa Andre Geim e Konstantin Novoselov, che hanno ricevuto insieme il Premio Nobel per la fisica nel 2010.

Il grafene è un singolo strato piatto di atomi di carbonio stipati strettamente in una disposizione bidimensionale a nido d’ape. I legami carbonio-carbonio nel piano (bidimensionale) nel grafene sono i legami più forti conosciuti dalla scienza. Sono questi legami che conferiscono al grafene la sua incredibile resistenza meccanica e la sua flessibilità.

Il grafene è essenzialmente un singolo strato di grafite, il materiale che si trova nella “mina” di matita. Quando disegni su carta con una matita, fogli di grafene debolmente rilegati nella grafite si diffondono sulla carta come un mazzo di carte.

Ma poiché il grafene è così sottile – lo spessore di un singolo atomo di carbonio – è estremamente difficile da vedere. Questo è uno dei motivi per cui i ricercatori hanno impiegato così tanto tempo per trovare fogli di grafene tra pile più spesse di grafite.

Nonostante sia così sottile, il grafene è un ottimo conduttore di elettricità. Gli elettroni fluiscono attraverso il grafene con una resistenza elettrica quasi nulla. Questa proprietà insolita, e il fatto che il grafene sia quasi invisibile, lo rende un materiale ideale per gli elettrodi trasparenti utilizzati nei display dei computer e nelle celle solari.

Mentre gli scienziati conoscono il grafene dal 2004, è stato nel 2010 che i ricercatori della Samsung e della Sungkyunkwan University hanno compiuto un passo fondamentale nello sviluppo delle applicazioni commerciali di questo materiale.

Hanno sviluppato un metodo di fabbricazione scalabile che ha consentito loro di produrre elettrodi di grafene trasparenti e flessibili che misurano 30 pollici (76 cm) in diagonale. Questo metodo ha consentito loro di produrre pellicole per elettrodi multistrato e di incorporarle in un dispositivo con pannello touch-screen completamente funzionale in grado di resistere a sollecitazioni elevate.

Come risultato di questo sviluppo, potrebbe non passare molto tempo prima che il grafene prenda parte nei display dei tuoi gadget elettronici preferiti.

Uno degli aspetti più promettenti del grafene è il suo potenziale come sostituto del silicio nei circuiti dei computer. Il grafene conduce elettricità più veloce (a temperatura ambiente) di qualsiasi altro materiale, produce pochissimo dissipazione di calore e consuma meno energia del silicio, l’elemento costitutivo dell’informatica moderna.

Queste caratteristiche potrebbero rendere il grafene ideale come base per componenti di elaborazione del segnale superiori nei computer superveloci e nelle tecnologie mobili.

Ma ci sono ancora molti ostacoli da superare.

Probabilmente la barriera più grande è il basso “rapporto corrente on-off” dell’attuale grafene superveloce transistor. In altre parole, gli elettroni nel grafene sono quasi inarrestabili e quindi molto difficili da controllare. Di conseguenza è quasi impossibile impostare i transistor al grafene in uno stato “off“.

Se il grafene deve competere con la tecnologia del silicio esistente, questo rapporto di corrente on-off dovrà essere migliorato. In altre parole, dovremo trovare un modo per controllare le correnti elettriche all’interno dei transistor al grafene in modo da poterli “spegnere”.

Molti ricercatori stanno attualmente lavorando su questo esatto problema, cercando di ottenere il controllo sui portatori di carica disobbedienti aprendo un varco nella “banda elettronica” del grafene – la parte del materiale che conduce l’elettricità.

Il grafene può anche essere modificato per assumere proprietà diverse rispetto a quelle che si trovano nella sua forma normale. Ad esempio, i ricercatori hanno:

Ognuna di queste modifiche ha potenziali applicazioni tecnologiche.

Possono anche essere incorporati fogli di grafene con diversi materiali compositi, sfruttando le straordinarie proprietà meccaniche, termiche ed elettriche del grafene. Questi materiali compositi potrebbero portare a parti di automobili e aeroplani più resistenti e leggere, batterie elettriche migliori e tessuti super resistenti conduttori di elettricità.

Ma forse una delle scoperte più sorprendenti e insolite del grafene riguarda le membrane fatte di ossido di grafene, un derivato chimico del grafene.

Quando queste membrane erano usate per sigillare un contenitore di metallo, nemmeno la più piccola molecola di gas, come l’elio, potrebbe penetrare nella membrana. Ma quando i ricercatori hanno provato lo stesso con l’acqua, hanno scoperto che l’acqua poteva passare senza problemi attraverso la membrana di ossido di grafene.

Sebbene il principio alla base di questo comportamento insolito non sia ancora compreso, un giorno potrebbe essere utilizzato nella rimozione selettiva dell’acqua o in altre applicazioni di filtrazione.

Questo sorprendente risultato mostra quanto dobbiamo ancora imparare sul grafene. Se ricerche e sviluppo in corso è qualcosa su cui basarsi, sentiremo parlare molto di più su questo materiale straordinario negli anni a venire.

Autore

Jiri Cervenka, Università di Melbourne