7 cose da sapere sul grafene

Grafene

Il grafene è un materiale che abbiamo imparato a conoscere nel corso dello scorso anno, e sta diventando così popolare da poter essere considerato una delle tecnologie emergenti degli ultimi anni. Abbiamo già parlato delle sue proprietà e dei suoi campi applicativi, ma ci sono 7 cose da sapere sul grafene, e una di queste coinvolge l'Italia, o meglio l'Abruzzo, visto che al dipartimento di Fisica dell'Università dell'Aquila si sta lavorando per rendere il grafene un superconduttore.

1. La superconduttività è una realtà

Per superconduttività si intende la proprietà che permette ad alcuni materiali di trasportare corrente elettrica, sotto una determinata temperatura, senza incontrare resistenze. Se ci pensiamo bene, tutte queste potenzialità sono racchiuse in una matita. Conoscete altri oggetti di uso quotidiano che nascondono inaspettate applicazioni tecnologiche?

Un esempio applicativo della superconduttività sono i treni a levitazione magnetica. Il team dell'Università di Fisica dell'Aquila, guidato dal Professor Gianni Profeta, ha come obiettivo quello di rendere il grafene un superconduttore per aprire un nuovo mondo alle possibilità applicative di questo materiale.

Questo in realtà è già possibile, perché gli elettroni del grafene possono diventare superconduttivi in seguito alle vibrazioni degli atomi di carbonio, prodotte dal contatto di atomi di litio con la superficie del grafene.

Le ipotesi di utilizzo a questo punto diventano innumerevoli e quasi fantascientifiche, se si pensa alla possibile applicazione nelle nanotecnologie in campo medico, o ancora alle energie rinnovabili, con la creazione di celle solari sottilissime ed estremamente efficienti.

2. L'acqua vede attraverso il grafene

Cosa significa? Un nuovo studio della Rice University ha determinato che materiali come oro, rame e silicone si inumidiscono allo stesso modo sia se sono scoperti, sia se hanno una copertura in grafene, che quindi non costituisce un ostacolo invasivo.

Una goccia di acqua che si trova su una superficie 'vede attraverso' il grafene (per usare un espressione utilizzata dagli stessi ricercatori) e si conforma alla forze di wetting , dettate dalla superficie sottostante.

Questa proprietà non è riscontrata in altri materiali di copertura.

La grafite, in realtà, è idrorepellente, e infatti sovrapponendo circa sei strati di grafene, questo si trasforma in grafite, o meglio ne assume le sue peculiarità. Questa scoperta, unita alla possibilità di rendere il grafene superconduttivo, potrebbe aprire nuovi scenari per la realizzazione di coperture impermeabili e conduttive.

Per fare un esempio su quanto detto, prendiamo in esame il rame, che mostra un'elevata conduttività termica, ma si corrode facilmente. Coprendolo con un singolo strato di grafene, si garantisce elevata protezione dall'ossidazione, senza alcun impatto sull'interazione che il rame ha con l'acqua. Di fatto, la sua efficacia termica aumenta del 30/40%.

3. Il grafene non ha banda proibita

Tra le 7 cose da sapere sul grafene, questa è molto importante, perché presenta aspetta sia positivi che negativi.

La banda proibita è, un intervallo di energia nel quale non possono esistere gli elettroni. In un isolante o semiconduttore, viene interdetta la presenza di elettroni in stato stazionario, la cui energia sia compresa tra la banda di valenza (estremo inferiore) e la banda di conduzione (estremo superiore).

Passiamo ora ai vantaggi dell'assenza di banda: Questa condizione permette al grafene di essere un eccellente candidato per la realizzazione di celle fotovoltaiche, perché può assorbire fotoni con energia di ogni frequenza; un materiali che ha la banda proibita non può convertire le lunghezze d'onda della luce che corrispondono allo stato di energia non permesso agli elettroni. Senza banda proibita, invece, tutto è permesso.

Il problema si presenta invece se si vuole utilizzare il grafene nei transistor, dove la banda proibita serve a fornire l'isolamento necessario se si vuole che essi agiscano come interruttori di spegnimento. É possibile indurre una piccola banda proibita nel grafene, dopandolo, ma non sarebbe comunque sufficiente per i transistor.

4. Conduzione balistica

Nel 2002 fu osservato che nei nanotubi in carbonio la conduzione di elettroni non veniva influenzata dalla temperatura dell'ambiente; dal momento che il grafene è un nanotubo in carbonio decompresso, il discorso è lo stesso.

Il reticolo esagonale ha infatti il cammino libero medio più lungo (cioè il percorso che un elettrone può fare senza incontrare ostacoli, che altrimenti generano resistenza) di ogni altro materiale, nell'ordine di micron.

Quando il percorso libero è più lungo delle dimensioni del materiale, allora si genera il trasporto balistico. Nel grafene misura 65 micron, quindi abbastanza lungo per realizzare componenti elettronici che operano a temperatura ambiente, virtualmente senza resistenza. La conduzione balistica è simile alla superconduttività, da cui differisce per la temperatura e l'assenza di effetto Meissner.

5. Impermeabilità

Il grafene è il materiale più impermeabile che sia mai stato scoperto, tanto che nemmeno degli atomi di elio lo possono attraversare. Questo lo rende ovviamente un'ottima soluzione per la costruzione di rilevatori di gas ad altissima sensibilità, ad esempio, visto che anche la quantità più piccola di gas verrebbe intrappolata nel reticolo del grafene, modificando le sue proprietà elettriche.

6. Elasticità

Nonostante il grafene sia il materiale più duro esistente, anche del diamante, risulta estremamente elastico, considerato il panorama dei cristalli. La sua capacità di allungarsi è arriva fino al 20% della sua lunghezza. Per capire l'effettività utilità di questa sua proprietà, possiamo vedere un'interessante applicazione in campo elettronico, grazie ad un team di ricerca sudcoreano, che ha realizzato un transistor 'allungabile' con strati di grafene.

7. Trasparenza

La trasparenza del grafene è una delle cose che più entusiasma gli addetti ai lavori: la cosa che ritengono sorprendente è il fatto di poterlo vedere, semplicemente ponendo uno strato su un foglio di carta bianco. Il grafene assorbe solo il 2.3% della luce che lo colpisce, ma è comunque visibile; ciò significa che è possibile osservare un singolo strato di atomi ad occhio nudo. Questo accade solo per il grafene.

Da qui si arriva facilmente alla conclusione che un materiale del genere si presta benissimo per la realizzazione di touchscreen, la maggior parte dei quali oggi è realizzata con ossido di indio-stagno (ITO), il quale assorbe il 10% della luce incidente. L'ITO è, tra l'altro, anche fragile, a differenza del grafene che, come abbiamo visto, è particolarmente elastico.

Abbiamo visto quali sono le 7 cose importanti da sapere sul grafene, un materiale che rappresenterà il futuro della componentistica elettronica, con applicazioni nei più svariati campi.

Se ci pensiamo bene, tutte queste potenzialità sono racchiuse in una matita. Conoscete altri oggetti di uso quotidiano che nascondono inaspettate applicazioni tecnologiche?

5 Comments

  1. Edi82 16 febbraio 2012
  2. Edi82 17 febbraio 2012
  3. Giovanni Giomini Figliozzi 17 febbraio 2012
  4. Emanuele 17 febbraio 2012
  5. Edi82 21 febbraio 2012

Leave a Reply