Il grafene è costituito da fogli bidimensionali di grafite, materiale che ci è familiare grazie alle matite che abbiamo quotidianamente tra le mani, se non sono occupate e digitare uno smartphone.
Questi fogli solidi non servono per scrivere ma per realizzare i più piccoli transistor prodotti al mondo, ad esempio, ed esistono molti altri campi di applicazione mentre si proseguono le ricerche attorno a questo promettente materiale. Non è un pensiero personale e neppure una speranza naif, molti ricercatori sono convinti, dati alla mano, che il grafene tra non troppi anni, manderà in pensione il silicio nella realizzazione dei transistor e andrà a sostituite altri materiali in altri ambiti, rivelandosi più performante.
Dal punto di vista “chimico”, la definizione di grafene è quella di materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio con una notevole resistenza meccanica, simile a quella del diamante, e una flessibilità pari a quella della plastica.
Grafene: applicazioni
Proprio grazie alle utili applicazioni di questo foglio di grafite scoperte, due fisici hanno conquistato il premio Nobel per la fisica nel 2010, si tratta di Andrej Gejm e di Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester e le applicazioni premiate universalmente riguardavano i transistor. I due scienziati sono riusciti a costruire con questo materiale un “foglio” a doppio strato, ancora più resistente e flessibile, quindi ancora più utile e conveniente.
Resta sempre un foglio di grafite e molte delle sue proprietà il grafene le deve ad essa, ottimo conduttore elettrico con temperatura di fusione molto alta. Oltre ad andare a comporre i fogli sottili del grafene, la grafite può essere utilizzata anche direttamente, per produrre refrattari, lubrificanti, matite, coloranti ed elettrodi per l’EDM. Con la grafitazione si ottiene anche la “versione” artificiale che può essere inserita nei reattori nucleari RBMK 1000 come moderatore di neutroni, sotto forma di barre per assorbire le radiazioni emesse dalle barre sovrastanti.
Grafene: utilizzi
L’utilizzo principale ad oggi riguarda i nanocompositi polimerici che sono già ottenibili e li si produce incorporando grafene (come nano-carica) nella matrice polimerica di base. Non è però l’unico destino di questo materiale che si rivela ogni giorno più utile. Lo troviamo anche in circuiti integrati e nel processo di rilevazione di molecole di gas o in quello di desalinizzazione, nei moltiplicatori di frequenza e negli ultracapacitori.
Nel campo dell’illuminazione, si può costruire con questo materiale una lampadina miniaturizzata che emette luce grazie a piccoli elettrodi metallici posti su strisce proprio di grafene, invisibili ad occhio nudo, che diventano un filamento incandescente. Questa bella scoperta è piuttosto recente e promette sviluppi interessanti, è stata pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology nel 2015. Altro utilizzo del grafene non troppo “riservato agli addetti ai lavori”, anzi, davanti agli occhi di tutti, è quello nel campo del tennis.
Nel 2012 ha infatti fatto il suo esordio una racchetta con un innovativo innesto in grafene, posto al suo centro e che la rende più leggera. Grazie a questa “aggiunta”, i produttori di racchette hanno potuto prevedere di aggiungere peso al manico e in testa, aumentando le performance e la comodità di utilizzo.
Se vogliamo invece conoscere un impiego alternativo delle grafite, leggete qui, come può essere utilizzara
Grafene: batterie
Le batterie al grafene fanno sperare tutti quegli utilizzatori di smartphone sempre a corto di carica, che già a metà mattina hanno raggiunto livelli sotto il 30%. Queste batterie promettono una autonomia 20 volte superiore rispetto agli standard delle batterie agli ioni di litio e non pensiamo che debbano essere caricate per giorni e giorni, servono solo pochi secondi.
Non sono finiti i vantaggi: se le attuali batterie agli ioni di litio possono essere ricaricate solo per un numero limitato di volte, quelle in grafene non risentono dell’”effetto memoria” e reggono anche decine di migliaia di cicli di ricarica.
Grafene: prezzo
Duttile e resistentissimo, 200 volte più dell’acciaio, il grafene è ad oggi un materiale abbastanza pregiato, essendo potenzialmente utilizzabile per migliorare ogni dispositivo ora in commercio. Non è solo la legge del mercato che lo rende costoso ma il fatto che non è ancora riprodotto su scala globale. Per quel che riguarda il suo impiego per le batterie, costa circa 60 volte di più dei materiali utilizzati oggi, nei prossimi anni la situazione potrebbe cambiare e queste batterie magiche diventerebbero alla portata di tutti.
Grafene: produzione
Oggi esistono già molti modi per ottenere dalla grafite questo materiale, i due principali sono l’esfoliazione meccanica e quella in fase liquida. L’esfoliazione meccanica consiste nell’applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata che è in grado di staccare e dispiegarne gli strati cristallini in modo da ottenere lo strato singolo desiderato.
L’esfoliazione in fase liquida è invece una tecnica che si basa sull’utilizzo delle forze di pressione che si generano appunto all’interno di un liquido. I ricercatori, e le industrie, contano molto su questo metodo perché si sta rivelando il più scalabile visto che permette di ottenere grandi quantità di grafene di buona qualità. Ci sono anche dei contro, è un metodo da migliorare ma che fa ben sperare.
Si può produrre grafene anche attraverso i seguenti processi che mi limito ad elencare lasciando i particolari a chi desidera approfondire su testi specifici: ossidoriduzione della grafite, crescita epitassiale su carburo di silicio, crescita epitassiale su substrati metallici, crescita da fusione di carbonio-metallo, pirolisi dell’etossido di sodio, da nanotubi di carbonio, riduzione del diossido di carbonio.
Se vi è piaciuto questo articolo continuate a seguirmi anche su Twitter, Facebook, Google+, Instagram