Il Grafene: Un materiale futuristico

Articolo a cura di Pasquale Praticao. In un’epoca caratterizzata dalla continua ricerca della formula “massimo rendimento al minimo costo”, rivestono una enorme importanza dal punto di vista meccanico e di conseguenza ingegneristico, i materiali utilizzati per tirar fuori il “top di gamma” delle varie case di produzione.
In questi ultimi anni, il progresso continuo e costante, volto alla ricerca di strumenti in grado di prolungare la propria vita utile, migliorando la precisione costruttiva, ha creato un nuovo modo di pensare, e di conseguenza agire, sulle strategie industriali delle multinazionali. Un esempio che ci riguarda? L’utilizzo della fibra di Carbonio come materiale Principe dei maggiori capolavori, soprattutto nel campo dell’Automotive.

La ricerca, in quest’ultimo anno ha dato come ennesimo, strabiliante  risultato, una di quelle risorse di cui, tutti ne sono a conoscenza, ma che pochi hanno sperimentato; stiamo parlando del Grafene.

Il grafene: Tutto da guadagnare

Cerchiamo di capire cos’è il grafene e come si costruisce la sua struttura. E’ per definizione un materiale caratterizzato da uno strato monoatomico di atomi di carbonio. Inoltre, le molecole si dispongono in un foglio dallo spessore equivalente a un atomo.
Tuttavia è resistente al taglio come il diamante e deformabile come la plastica.

Dalla nomenclatura in chimica organica possiamo intuire che dalla desinenza -ene, gli atomi saranno ibridati nella forma sp² e si disporranno in una struttura esagonale con angoli tra i legami a 120°.

La struttura esagonale è geometricamente equilibrata e perfetta, se ci fossero imperfezioni ad esempio, strutture pentagonali ed ettagonali, si deformerebbe, creando increspature superficiali. Con 12 pentagoni si avrebbe un fullerene.

Proprietà:

Elettroniche:

Il grafene è usato principalmente nelle batterie, da cui prendono il nome appunto, batterie al grafene. Quest’ultime hanno differenti applicazioni in differenti settori: Dispositivi mobili, cellulari, tablet. E’ una diretta concorrente delle batterie al litio. Ha una densità maggiore del rame e una maggior densità di energia trasportabile (cariche in movimento) rispetto al silicio. Gli elettroni muovendosi attraverso il grafene avranno un moto meno ostacolato, minor resistenza.

Ottiche:

Un singolo strato di grafene, spesso come un atomo, come abbiamo ribadito prima, è in grado di assorbire il 2.3% della radiazione distribuita su quasi tutto lo spettro ottico. Facendo un confronto, uno stesso strato di silicio assorbirebbe solo il 0.03% della luce.

Termiche:

Il grafene è ritenuto un ottimo conduttore termico. Esso acquista tali proprietà con interazioni macromolecolari, identicamente alla grafite- forma allotropica del carbonio- che riesce a condurre energia termica. Tali strati omogenei connessi monoatomici danno il grafene.

Altre caratteristiche:

Ed ancora, è il materiale più sottile che si possa immaginare, con uno spessore pari a quello di un atomo. Vale a dire che si tratta di un materiale tecnicamente bidimensionale, eppure saremmo in grado di tenere in mano perfino un singolo strato di grafene.

Non è una sostanza rara o unica al mondo, anzi,la sua struttura basata sul carbonio è identica a quella della grafite che usiamo ogni giorno per scrivere a matita!

Al tempo stesso però, in appena 0,7 mm di grafite, sono presenti circa 3 milioni di strati di grafene.

Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004 sono valse il Premio Nobel per la Fisica 2010 ai due fisici Andrej Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester.

Evoluzione:

La modalità di scoperta di questo materiale si deve, al nastro adesivo, incollandolo ad una porzione di grafite, e staccando poi, un singolo strato di materiale. Inizialmente, produrre il grafene era incredibilmente costoso; parliamo di una somma pari a 1100$ per una quantità tale da ricoprire la testa di uno spillo.

Negli anni, entro la fine del 2015, il costo lievitò fino a 1000$ per 10 grammi, ed attualmente gli esperti calcolano che il prezzo si abbasserà ancora più sensibilmente, magari pareggiando il costo del materiale di base: la grafite.

E’ inoltre un materiale incredibilmente elastico, capace di allungarsi fino al 25% della lunghezza originale, estremamente rigido (in realtà, il materiale più duro di cui si abbia notizia) ancora più del diamante.

Per rendere l’idea, bisognerebbe sistemare un elefante in equilibrio sulla punta, anche solo per scheggiarlo!

Dal punto di vista dell’impermeabilità, attraverso il grafene non si riesce a far passare nulla, neanche un atomo di elio, questo perché è il materiale più impermebile che sia mai stato scoperto.

Di conseguenza, può essere utilizzato come ideale Rilevatore di Gas.

Soluzioni:

Soluzioni ed opportunità

 L’Unione Europea ha stanziato un miliardo di Euro per compiere ricerche nel corso di 10 anni (dal 2013 al 2023).

Lo scopo, è studiare come il grafene può migliorare i settori elettrico, sanitario, edile ed energetico.

Acqua di mare, potabile

Si potrebbe risolvere la crisi idrica, utilizzando membrane di grafene  che permetterebbero di filtrare l’acqua del mare, eliminando le particelle di sale.
Nel 2018, scienziati dell’organizzazione per a ricerca scientifica Australiana, hanno realizzato un esperimento, rendendo potabile l’acqua del mare, utilizzando un derivato del grafene: il “Graphair”.

Armature super resistenti

 Se si utilizzassero due strati questa straordinaria risorsa?

Scienziati del Georgia Tech, hanno dimostrato che due strati di atomi di grafene, sono risultati intatti, anche dopo la perforazione di una punta di diamante.

Sanità pubblica

Ricercatori dell’Università del Texas hanno creato dei “tatuaggi temporanei” usando il grafene.

Servono infatti a rilevare i valori vitali di una persona, inclusi idratazione e temperatura della pelle

Accessori per ricarica

Le batterie a base di grafene sarebbero in grado di ricaricarsi con incredibile velocità di soli 15 Minuti, e sopportare all’incirca 3500 ricariche. Incredibile.

Probabilmente ci stiamo rendendo conto, senza fare voli pindarici con idee al limite del reale, che la natura, ci mette tutto a nostra completa disposizione. Basterebbe semplicemente avere più rispetto di ciò che abbiamo sotto i nostri piedi, e soprattutto….Studiare!