Le Applicazioni del Grafene in Elettronica

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Chi di noi non ha mai usato le matite per giocare con la grafite? Oppure non si è mai sporcato le mani sostituendo una mina del matitatoio restando incuriosito dalle tracce di grafite? Chi avrebbe mai pensato che un gioco semplice da ragazzini avrebbe mai potuto condurci verso tecnologie futuristiche al pari di quelle usate nell’universo fantascientifico di Star Trek o di Iron Man? Ebbene sì, ora finalmente si può cominciare a visualizzare concretamente tali dispositivi, grazie alle recenti ricerche e alle straordinarie scoperte condotte anche su questo nuovo materiale, il grafene.

Introduzione

In questo articolo parleremo dell’origine del grafene, della sua struttura e delle proprietà che da essa ne derivano. Scopriremo i vantaggi dell’impiego di tale materiale nel campo dell’elettronica flessibile e non solo, l’ausilio di nuove tecniche di sintesi e di produzione. Tratteremo dell’importanza che l’uso di tale materiale può avere nei vari settori di sviluppo tecnologico ambientale, elettronico, energetico, chimico, medico e come il suo utilizzo possa aprire la frontiera verso nuove opportunità avveniristiche e sino ad ora considerate surreali.

COS’È IL GRAFENE?

Il grafene è il materiale più sottile finora esistente e scoperto in natura: si ottiene dalla grafite sotto forma di fogli o nastri dello spessore pari a quello di un singolo atomo. Esso è costituito da atomi di carbonio disposti secondo una struttura reticolare a nido d’ape, in cui esagoni regolari con angoli di 120°, posti ad una distanza costante tra loro di 0,142 nanometri, generano un cristallo puramente bidimensionale. Il grafene, derivando dalla grafite, è anch’esso fondamentalmente carbonio nella sua forma più comune, ed è proprio quest’ultimo che, essendo di facile reperibilità (può essere estratto anche da oggetti di uso quotidiano e quindi da molteplici materiali a base di carbonio: basti pensare ad esempio ad una mina di matita) risulta essere una materia prima a basso costo. Il grafene ha spinto scienziati e studiosi di tutto il mondo a rivolgere la propria attenzione verso studi e ricerche volte a scoprire le sue molteplici potenzialità. Il carbonio, che può presentarsi sotto diverse forme e conseguenzialmente avere per questo diversificate caratteristiche fisiche, può considerarsi come struttura basilare per la costruzione di molti altri materiali: fullereni (molecole composte in modo da formare sfere cave di carbonio, la cui struttura è considerata adimensionale), nano-tubi di carbonio (fogli di grafene arrotolati che generano strutture tubolari assimilabili a segmenti e per questo considerati unidimensionali), grafite, carbone e diamanti (considerati come solidi tridimensionali). La diversa dimensione spaziale (0D, 1D, 2D e 3D) mostra quindi chiaramente proprietà notoriamente diverse e ciò implica una vasta gamma di applicazioni totalmente differenti.

Figura 1: Prototipo di display flessibile

ALLA SCOPERTA DEL GRAFENE

I primi studi teorici condotti sul grafene risalgono a circa sessantotto anni fa, in quanto i primi esperimenti risalgono alla fine degli anni ’40; a quell’epoca però non si avevano ancora gli strumenti e le conoscenze necessarie per poter isolare questo nanomateriale in “fogli” di adeguate dimensioni, su cui si sarebbero potute effettuare analisi e prove di laboratorio al fine di testarne le proprietà. Dagli anni ‘90 poi, con lo sviluppo delle nanotecnologie e con l’applicazione di nuove scoperte scientifiche, si è cominciato a comprendere che questo nuovo materiale racchiudeva enormi potenzialità. Solo nel 2004, due scienziati di origine russa, Andreaj Gejm e Konstantin Novoselov della Manchester University, sono riusciti ad isolarlo ottenendo dalla grafite i primi campioni di grafene. La tecnica che i due studiosi hanno usato prende il nome di "scotch-tape", ovvero una esfoliazione meccanica della grafite mediante l’applicazione di scotch. Questo metodo consta di varie fasi: comprende anzitutto la rimozione dello strato superficiale di grafite, che presenta solitamente uno stato di ossidazione e di contaminazione a causa della diretta esposizione con l’ambiente circostante. Una seconda fase prevede un processo di esfoliazione meccanica tramite l’uso di nastro adesivo il quale, al fine di staccare e disporre i diversi strati cristallini, viene letteralmente tenuto pressato contro la grafite e poi strappato. Una volta ottenuti i primi strati di grafite, il nastro verrà ripiegato su se stesso ripetutamente e si proseguirà con molteplici esfoliazioni successive, che porteranno ad ottenere strati via via sempre più sottili, sino a diventare impercettibili dall’occhio umano e quindi visibili solo con l’utilizzo del microscopio. In una fase successiva si procede poi al trasferimento dei campioni così ottenuti, su un substrato di silicio o di ossido di silicio per osservarli e studiarli: questa fase risulta essere agevolata dal contrasto ottico che vi è tra i due materiali. Terminato lo stadio del trasferimento, si passa alla pulizia delle tracce residue di colla che il nastro adesivo ha depositato sul campione ottenuto (per tale operazione si ricorre a lavaggi in acetone ed isopropanolo). Al termine di tale procedura, se effettuata nella maniera corretta, si riescono ad isolare uno o più strati (o fiocchi, flakes) di grafene di ottima qualità.

Ai due scienziati russi è valso il conseguimento, nel 2010, del premio Nobel per la Fisica. Essi infatti hanno dimostrato che il grafene, per via della sua particolare struttura molecolare e della sua configurazione elettronica, possiede caratteristiche meccaniche ed elettroniche eccezionali che ne rendono enorme il potenziale. Da quel momento sono state studiate e sperimentate altre tecniche di produzione, ognuna finalizzata alla creazione di campioni sfruttabili in diversi campi di applicazioni e per nuovi e impensati usi. Di tali tecniche daremo solo brevi accenni per comprendere meglio il loro impiego nelle applicazioni di tipo industriale: tecnica di deposizione da fase vapore o CVD (Chemical Vapour Deposition), esfoliazione per via chimica in fase liquida (in questo caso il processo di esfoliazione della grafite avviene mediante l’utilizzo di vari solventi), metodi fisici (la crescita di un cristallo di grafene si ha attraverso reazioni generate da elevate temperature che permettono una decomposizione termica degli elementi). La diversa tipologia delle tecniche suddette genera, a volte, prodotti finali non sempre puri, ma essendo relativamente giovane la scoperta di questo materiale, si cerca di superare e migliorare gli attuali limiti tecnologici per produrre campioni sempre più puri e di dimensioni sempre maggiori.

Figura 2: Reticolo cristallino del grafene

PROPRIETÀ DEL GRAFENE

Malgrado la sua “apparente” semplicità e facilità di produzione, il grafene ha delle caratteristiche uniche e sorprendenti che sono state scoperte dopo una serie di studi condotti e portati avanti negli ultimi anni in differenti campi di applicazione. Tutte le ricerche operate gli hanno fatto meritare l’appellativo di “materiale delle meraviglie”, in quanto la peculiare geometria a nido d’ape degli atomi di carbonio dà origine a particolari proprietà elettriche e meccaniche. Tra queste citiamo: leggerezza (in quanto, come detto in precedenza, il materiale è uno dei più sottili mai inventato), resistenza meccanica (cento volte più resistente dell’acciaio), notevole flessibilità (5 volte più dell’acciaio ed è più malleabile della plastica), trasparenza (pari a quella del vetro), ottima conducibilità elettrica e termica (l’efficienza è di gran lunga maggiore di quella del rame e del silicio, in quanto gli elettroni si comportano come se fossero leggerissimi e si muovessero quasi alla velocità della luce nel vuoto; inoltre, gli elettroni possono muoversi con poca resistenza, anche con effetti quantistici misurabili a temperatura ambiente, trasporto o conduzione balistica), resistente alle variazioni del PH e alle temperature (il suo punto di fusione è superiore ai 3000°) impermeabilità a liquidi e gas (nemmeno le molecole di elio infatti, seppur piccole, riescono ad attraversarlo), durezza (pari a quella del diamante). Inoltre, si è scoperto che anche una debole corrente elettrica può renderlo magnetico, fattore questo che introduce ad una nuova possibilità di conversione elettricità-magnetismo, consentendo in questo caso anche possibili applicazioni nel ramo della spintronica (materia di studio che coniuga magnetismo ed elettronica). Non essendo inoltre un metallo pesante, la grafite risulta essere quindi non tossica.

Figura 3: Rappresentazione grafica delle forme allotropiche del carbonio

LE APPLICAZIONI DEL GRAFENE

Le aree in cui il suo utilizzo potrebbe realmente apportare notevoli sviluppi tecnologici risultano innumerevoli: elettronico (dispositivi digitali e analogici, indossabili, schermi e dispositivi elettronici pieghevoli ultrasottili e trasparenti, quali tablet e smartphone, computer superveloci, elettrodi trasparenti e conduttori), energetico (settore del fotovoltaico e dell’energia eolica, ausilio di materiali compositi ultraleggeri nuovi per la costruzione di veicoli e aerei più efficienti da un punto di vista energetico), ambientale (costruzione di impianti di desalinizzazione, depurazione e decontaminazione di acque contenenti basse concentrazioni di idrocarburi) e medicale (protesi a basso rigetto) e molto altro! Inoltre, il grafene può essere usato come perfetto sostituto del silicio in varie tecnologie, come per i supercondensatori sostitutivi delle attuali batterie, biosensori, microcircuiti, ed anche nel campo dei laser e della fotonica ultraveloce.

Figura 4: Tecnica scotch-tape

 

Figura 5: Processo roll-to-roll

DALLO STUDIO ALL’INDUSTRIALIZZAZIONE

Questo nanomateriale è oggi divenuto “l’oggetto dei desideri” di scienziati, aziende high-tech e imprenditori che se ne contendono i più svariati brevetti, al fine di essere i promotori di nuovi e innovativi prodotti, futuristici e non. Con molta probabilità, i primi prodotti ad essere immessi nel mercato saranno dispositivi elettronici di largo uso, in quanto IBM (i suoi ricercatori sono stati tra i primi a produrre dispositivi in ambito microelettronico), Nokia, Samsung, Sony ed Apple sono tra le aziende dell’industria ICT che maggiormente stanno investendo in questo settore, nel tentativo di essere tra i primi ad ottenerne le licenze. Affinché un materiale possa concretamente essere utilizzato come componente in dispositivi commerciabili, deve essere in grado di soddisfare i requisiti di scalabilità (parametro di qualità che permette ad un sistema di incrementare le sue prestazioni in funzione della disponibilità e delle richieste ricevute) necessari per entrare nel ciclo produttivo industriale. Alcune grandi aziende tra quelle precedentemente citate, hanno lavorato in tal senso per risolvere questo problema, riuscendo a perfezionare alcune tecniche che sono in grado di sintetizzare il grafene trasferendo facilmente il materiale prodotto (che presenta un’alta qualità del reticolo cristallino), su una vasta gamma di substrati per le più diverse applicazioni, ed avendo per l’appunto alta scalabilità. La tecnica di produzione ideata e attuata dalla Samsung è quella ”roll-to-roll“, tramite la quale si è riusciti a produrre un foglio di grafene di 30 pollici, sintetizzato attraverso CVD.

Figura 6: Prototipo di smartphone flessibile

 

Figura 7: Chip in grafene

Questa tecnica è stata successivamente perfezionata dalla Sony che ha presentato un rotolo di grafene lungo ben 100 metri, dimostrando quindi la possibilità di dare vita alla produzione di campioni di grandezza sufficiente e idonei per essere impiegati in dispositivi come touch-screen flessibili e trasparenti. Dalla scoperta del grafene sino ad oggi, la tecnologia ingegneristica dei processi produttivi di questo materiale ha già raggiunto un livello molto alto, tanto da far sperare nell’introduzione nel largo mercato dei nuovi dispositivi già nei prossimi dieci anni. Sono già diverse le aree di utilizzo in cui il grafene diviene contemporaneamente sfida e promessa, per un futuro dove l’intero mondo industriale verrà rivoluzionato senza causare danni al nostro pianeta. Grazie infatti alle sue innumerevoli proprietà elettriche, meccaniche e biosostenibili, il grafene sembra essere il miglior candidato per dare inizio ad una futura generazione di dispositivi come: schermi, chip, microprocessori, computer, etc., altamente innovativi e totalmente rivoluzionari anche nell’aspetto. Il crescente fermento attorno alle notevoli potenzialità del grafene ha suscitato un forte interesse a livello mondiale, infatti, sono già a lavoro ricercatori asiatici e americani, mentre solo nel 2013 l’Unione Europea ha deciso di intervenire in maniera concreta, promuovendo e finanziando con un miliardo di euro grandi progetti di ricerca, volti alla creazione di una totale collaborazione tra i laboratori scientifici che attraverso studi, ricerche e concrete applicazioni del grafene, possano sviluppare nuovi materiali bidimensionali, nuove tecnologie e nuove innovazioni in vari campi di attuazione. Il Graphene Flagship Project (finanziato dalla Commissione Europea e dagli stati membri) coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca, 17 Stati Europei che collaboreranno nei prossimi anni per raggiungere mete sempre più alte nell’applicazione del grafene e studi sempre più approfonditi sul suo vasto potenziale.

Un sostituto del silicio?

Come ben si sa, attualmente il materiale maggiormente usato nel campo dell’elettronica (e che la fa quindi da padrone) è il silicio. Il grafene, “materiale delle meraviglie”, rispetto al conosciuto ed abbondantemente utilizzato silicio, risulta qualitativamente superiore, e non solamente per una sua maggiore mobilità elettronica. Comunque, sebbene il silicio sia una risorsa esauribile e costosa, vanta tecniche di impiego notevolmente consolidate, motivo per il quale si pensa rimarrà predominante per almeno i prossimi 15 anni. Il grafene, sebbene sia caratterizzato da proprietà elettriche e meccaniche superiori e di facile reperimento, comporta ancora costi di lavorazione e impiego proibitivi; un chilogrammo di grafene infatti ha un costo pari a 30-35 mila euro. Tuttavia, grazie al sempre crescente sviluppo dei processi produttivi industriali e alle grandi aspettative su questo nuovo materiale, è auspicabile pensare che il grafene diverrà uno dei materiali più importanti ed è molto probabile che, sul periodo medio-lungo, possa mandare in pensione il buon vecchio silicio!

Articolo della rivista cartacea Firmware Anno 2015 - Numero 113

Scarica subito una copia gratis

Scrivi un commento

Send this to a friend