Cos'è il grafene? Ecco cosa dovresti sapere

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Oggi, un nuovo materiale ha il potenziale per alterare il futuro. Soprannominato un “supermateriale”, il grafene spinge i ricercatori di tutto il mondo a cercare di capirlo meglio. La lunga lista di caratteristiche miracolose del grafene lo fa sembrare quasi magico, ma potrebbe avere implicazioni molto reali e drastiche per il futuro della fisica e dell’ingegneria.

Cos'è esattamente il grafene?

Il modo più semplice per descrivere il grafene è che si tratta di un singolo e sottile strato di grafite, il materiale morbido e scaglioso utilizzato nella mina delle matite. La grafite è un allotropo dell'elemento carbonio, il che significa che possiede gli stessi atomi ma sono disposti in modo diverso, conferendo al materiale proprietà diverse. Ad esempio, sia il diamante che la grafite sono forme di carbonio, ma hanno natura molto diversa. I diamanti sono incredibilmente forti, mentre la grafite è fragile. Gli atomi di grafene sono disposti in una disposizione esagonale.

È interessante notare che quando il grafene viene isolato dalla grafite assume alcune proprietà miracolose. Ha lo spessore di un solo atomo, il primo materiale bidimensionale mai scoperto. Nonostante ciò, il grafene è anche uno dei materiali più resistenti dell’universo conosciuto. Con una resistenza alla trazione di 130 GPa (gigapascal), è più di 100 volte più resistente dell'acciaio.

L’incredibile forza del grafene nonostante sia così sottile è già sufficiente per renderlo sorprendente, tuttavia, le sue proprietà uniche non finiscono qui. È anche flessibile, trasparente, altamente conduttivo e apparentemente impermeabile alla maggior parte dei gas e dei liquidi. Sembra quasi che non esista un ambito in cui il grafene non eccelle.

La storia del grafene: un rotolo di nastro e un sogno

La grafite è una quantità nota da molto tempo (gli esseri umani la utilizzano fin dal Neolitico). La sua struttura atomica è ben documentata e per molto tempo gli scienziati hanno riflettuto sulla possibilità di isolare singoli strati di grafite. Fino a poco tempo fa, tuttavia, il grafene era solo una teoria, poiché gli scienziati non erano sicuri se sarebbe mai stato possibile tagliare la grafite in un unico foglio sottile come un atomo. Il primo campione isolato di grafene è stato scoperto nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester. Ci si potrebbe aspettare che isolassero la leggendaria sostanza utilizzando un macchinario enorme e costoso, ma lo strumento che usarono era di una semplicità divertente: un rotolo di nastro adesivo.

Quando hanno utilizzato il nastro per lucidare un grande blocco di grafite, i ricercatori hanno notato scaglie eccezionalmente sottili sul nastro. Continuando a staccare strati e strati dalle scaglie di grafite, alla fine produssero un campione il più sottile possibile. Avevano trovato il grafene. La scoperta fu così bizzarra che all'inizio il mondo scientifico fu scettico. Il giornale popolare Natura hanno persino rifiutato due volte il loro articolo sull'esperimento. Alla fine, la loro ricerca fu pubblicata e nel 2010 Geim e Novoselov furono insigniti del Premio Nobel per la fisica per la loro scoperta.

Potenziali applicazioni

Se il grafene avesse solo una delle sue tante caratteristiche superlative, sarebbe oggetto di intense ricerche sui potenziali usi. Essendo così straordinario in tanti modi, il grafene ha ispirato gli scienziati a pensare a un’ampia gamma di usi per il materiale, in campi diversi come la tecnologia di consumo e la scienza ambientale.

Elettronica flessibile

Oltre alle sue potenti proprietà elettriche, il grafene è anche altamente flessibile e trasparente. Ciò lo rende interessante per l'uso nell'elettronica portatile. Smartphone e tablet potrebbero diventare molto più durevoli utilizzando il grafene e forse potrebbero anche essere piegati come la carta. I dispositivi elettronici indossabili stanno diventando sempre più popolari negli ultimi tempi. Con il grafene, questi dispositivi potrebbero essere resi ancora più utili, progettati per adattarsi perfettamente agli arti e piegarsi per adattarsi a varie forme di esercizio.

Tuttavia, la flessibilità e l’ampiezza microscopica del grafene offrono opportunità che vanno oltre i semplici dispositivi di consumo. Potrebbe anche essere utile nella ricerca biomedica. Piccole macchine e sensori potrebbero essere realizzati con il grafene, in grado di muoversi facilmente e in modo innocuo attraverso il corpo umano, analizzare i tessuti o persino fornire farmaci in aree specifiche. Il carbonio è già un ingrediente cruciale nel corpo umano; un po' di grafene aggiunto potrebbe non far male.

Celle solari/fotovoltaiche

Il grafene è altamente conduttivo e trasparente. Come tale, ha un grande potenziale come materiale nelle celle solari. Tipicamente, le celle solari utilizzano il silicio, che produce una carica quando un fotone colpisce i materiali, liberando un elettrone libero. Il silicio rilascia solo un elettrone per ogni fotone che lo colpisce. La ricerca ha indicato che il grafene può rilasciare più elettroni per ogni fotone che lo colpisce. Pertanto, il grafene potrebbe essere molto migliore nel convertire l’energia solare. In breve tempo, celle di grafene più economiche e potenti potrebbero produrre un massiccio aumento di energia rinnovabile.

Le proprietà fotovoltaiche del grafene significano anche che potrebbe essere utilizzato per sviluppare sensori di immagine migliori per dispositivi come le fotocamere.

Semiconduttori

Grazie alla sua elevata conduttività, il grafene potrebbe essere utilizzato nei semiconduttori per aumentare notevolmente la velocità con cui viaggiano le informazioni. Recentemente il Dipartimento dell’Energia ha condotto test che hanno dimostrato che i polimeri semiconduttori conducono l’elettricità molto più velocemente se posizionati sopra uno strato di grafene rispetto a uno strato di silicio. Ciò vale anche se il polimero è più spesso. Un polimero spesso 50 nanometri, se posizionato sopra uno strato di grafene, conduceva una carica migliore di uno strato di polimero da 10 nanometri. Ciò andava contro la saggezza precedente secondo cui quanto più sottile è un polimero, tanto meglio può condurre la carica.

Il più grande ostacolo all’uso del grafene in elettronica è la sua mancanza di band gap, il divario tra le bande di valenza e di conduzione in un materiale che, quando incrociato, consente un flusso di corrente elettrica. Il gap di banda è ciò che consente ai materiali semiconduttori come il silicio di funzionare come transistor; possono passare dall'isolamento alla conduzione di una corrente elettrica, a seconda che i loro elettroni vengano spinti attraverso la banda proibita o meno.

I ricercatori hanno testato una varietà di metodi per dare al grafene un band gap; in caso di successo, ciò potrebbe portare a un’elettronica molto più veloce costruita con il grafene.

Filtrazione dell'acqua

Gli stretti legami atomici del grafene lo rendono impermeabile a quasi tutti i gas e liquidi. Curiosamente, le molecole d'acqua sono un'eccezione. Poiché l’acqua può evaporare attraverso il grafene mentre la maggior parte degli altri gas e liquidi no, il grafene potrebbe essere uno strumento eccezionale per la filtrazione. I ricercatori dell’Università di Manchester hanno testato la permeabilità del grafene con l’alcol e ci sono riusciti distillare campioni di liquori molto forti, poiché solo l'acqua contenuta nei campioni poteva passare attraverso grafene.

Naturalmente, l’uso del grafene come filtro ha un potenziale che va oltre la distillazione di alcolici più forti. Il grafene potrebbe anche essere immensamente utile per purificare l’acqua dalle tossine. In uno studio pubblicato dalla Royal Society of Chemistry, i ricercatori hanno dimostrato che il grafene ossidato potrebbe addirittura aspirare materiali radioattivi come l'uranio e il plutonio presenti nell'acqua, lasciando il liquido libero contaminanti. Le implicazioni di questo studio sono enormi. Alcuni dei maggiori rischi ambientali della storia, tra cui le scorie nucleari e il deflusso chimico, potrebbero essere eliminati dalle fonti d’acqua grazie al grafene.

Poiché la sovrappopolazione continua a rappresentare una delle preoccupazioni ambientali più urgenti a livello mondiale, il mantenimento delle risorse idriche pulite diventerà sempre più importante. In effetti, la scarsità d’acqua affligge più di un miliardo di persone in tutto il mondo, un numero che continuerà ad aumentare date le tendenze attuali. I filtri al grafene hanno un immenso potenziale per migliorare la purificazione dell’acqua, aumentando la quantità di acqua dolce disponibile. Infatti, Lockheed Martin ha recentemente sviluppato un filtro al grafene chiamato “Perforene”, che secondo la società potrebbe rivoluzionare il processo di desalinizzazione.

Gli attuali impianti di desalinizzazione utilizzano un metodo chiamato osmosi inversa per filtrare il sale dall'acqua di mare. L'osmosi inversa utilizza la pressione per spostare l'acqua attraverso una membrana. Per produrre grandi quantità di acqua potabile, la pressione necessaria richiede enormi quantità di energia. UN Afferma l'ingegnere della Lockheed Martin i loro filtri Perforene potrebbero ridurre il fabbisogno energetico cento volte meno di quello di altri filtri.

Il MIT ha creato il grafene con “nanopori”

La filtrazione è uno degli usi più ovvi del grafene e gli ingegneri del MIT hanno fatto grandi passi avanti nel perfezionare la capacità del grafene di separare le molecole. Nel 2018, un team del MIT ha ideato un metodo per creare minuscoli fori "puntinati" in fogli di grafene. I ricercatori del MIT utilizzano un approccio “roll-to-roll” per produrre grafene. La loro configurazione prevede due bobine: una bobina alimenta un foglio di rame in una fornace dove viene riscaldato al temperatura appropriata, quindi gli ingegneri aggiungono metano e idrogeno, che essenzialmente provocano pozze di grafene per formare. La pellicola di grafene esce dal forno, avvolgendosi sulla seconda bobina.

In teoria, questo processo consente la formazione di grandi fogli di grafene in un periodo di tempo relativamente breve, il che è cruciale per le applicazioni commerciali. I ricercatori hanno dovuto mettere a punto il processo per ottenere la perfetta formazione del grafene e, cosa interessante, i tentativi imperfetti lungo il percorso si sono rivelati utili in seguito. Quando il team del MIT ha cercato di creare pori nel grafene, ha iniziato utilizzando il plasma di ossigeno per ritagliarli. Poiché questo processo si è rivelato dispendioso in termini di tempo, volevano qualcosa di più veloce e hanno cercato soluzioni nei loro esperimenti precedenti. Abbassando la temperatura durante la crescita del grafene, hanno fatto apparire i pori. Quelli che apparivano come difetti durante il processo di sviluppo si sono rivelati un modo utile per creare grafene poroso.

Superconduttività

Non molto dopo lo hanno dimostrato gli scienziati di Cambridge che il grafene può agire come un superconduttore (un materiale senza resistenza elettrica) se accoppiato con ossido di rame cerio praseodimio, ricercatori del MIT scoperto un'altra proprietà sorprendente: apparentemente può funzionare solo come superconduttore, nella giusta configurazione. I ricercatori hanno impilato due fette di grafene, ma le hanno spostate di un angolo di 1,1 gradi. Secondo un rapporto pubblicato su Nature, “Il fisico Pablo Jarillo-Herrero del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge e il suo team non stavano cercando la superconduttività quando hanno creato il loro sperimentare. Invece, stavano esplorando il modo in cui l’orientamento soprannominato angolo magico potrebbe influenzare il grafene”.

Ciò che hanno scoperto è che, quando facevano passare l’elettricità attraverso lo stack di grafene fuori controllo, funzionava come un superconduttore. Questo semplice processo di applicazione dell'elettricità rende il grafene più facile da studiare rispetto a una classe simile di grafene superconduttori, cuprati, sebbene questi materiali mostrino una superconduttività molto più elevata temperature. La maggior parte dei materiali che mostrano superconduttività lo fanno solo vicino a una temperatura pari allo zero assoluto. Alcuni cosiddetti “superconduttori ad alta temperatura” possono mostrare superconduttività a temperature intorno a 133 Kelvin (-140 gradi Celsius), che sono relativamente elevate; l'idrogeno solforato, sotto pressione sufficiente, mostra la proprietà a un miracoloso -70 gradi Celsius!

La disposizione del grafene ha dovuto essere raffreddata a 1,7 gradi sopra lo zero assoluto, tuttavia i ricercatori ritengono che il suo comportamento sia simile a quello dei cuprati e sperano quindi che diventi un materiale molto più semplice per studiare la superconduttività non convenzionale, che è ancora un'area di grande disaccordo tra fisici. Poiché la superconduttività in genere avviene solo a temperature così basse, i superconduttori vengono utilizzati solo in macchinari costosi come le macchine per la risonanza magnetica, ma gli scienziati sperano di trovare un giorno un superconduttore che funzioni a temperatura ambiente, il che ridurrebbe i costi eliminando la necessità di raffreddamento unità.

In uno studio pubblicato nel 2019, i ricercatori hanno mostrato come torcendo strati di grafene ad angoli “magici” specifici si possano produrre proprietà superconduttive a temperature più basse rispetto a prima.

Difesa dalle zanzare

Poche creature sono ripugnanti quanto la zanzara, a causa delle loro punture pruriginose e della tendenza a diffondere malattie orribili come la malaria. Per fortuna, i ricercatori della Brown University hanno trovato una possibile soluzione utilizzando il grafene. La ricerca, pubblicato nel 2019, dimostra che una pellicola di grafene sulla pelle non solo ha impedito alle zanzare di mordere, ma ha anche impedito loro di posarsi sulla pelle. Una possibile spiegazione è che il grafene impedisse alle zanzare di annusare la preda.

Il futuro della ricerca sul grafene

Considerando la lista apparentemente infinita di punti di forza del grafene, ci si aspetterebbe di vederlo ovunque. Perché, allora, il grafene non è stato ampiamente adottato? Come per la maggior parte delle cose, si tratta di soldi. Il grafene è ancora estremamente costoso da produrre in grandi quantità, il che ne limita l’uso in qualsiasi prodotto che richieda una produzione di massa. Inoltre, quando vengono prodotti grandi fogli di grafene, aumenta il rischio che compaiano piccole fessure e altri difetti nel materiale. Non importa quanto incredibile possa essere una scoperta scientifica, l’economia deciderà sempre il successo.

A parte i problemi di produzione, la ricerca sul grafene non sta affatto rallentando. I laboratori di ricerca di tutto il mondo, inclusa l’Università di Manchester, dove è stato scoperto per la prima volta il grafene, depositano continuamente brevetti per nuovi metodi di creazione e utilizzo del grafene. Nel 2013 l’Unione Europea ha approvato il finanziamento di un programma faro che finanzierà la ricerca sul grafene per l’uso nell’elettronica. Nel frattempo, le principali aziende tecnologiche asiatiche stanno conducendo ricerche sul grafene, inclusa Samsung.

Le rivoluzioni non avvengono dall’oggi al domani. Il silicio fu scoperto a metà del XIX secolo, ma ci volle quasi un secolo prima che i semiconduttori in silicio aprissero la strada allo sviluppo dei computer. Il grafene, con le sue qualità quasi mitiche, potrebbe essere la risorsa che guiderà la prossima era della storia umana? Solo il tempo lo dirà.

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