Il grafene è uno dei materiali che ha più profondamente trasformato il panorama scientifico nell’ultimo decennio e continuerà a rivoluzionare il settore industriale anche nel prossimo futuro. Infatti, in questo articolo, esploreremo le principali caratteristiche del grafene, le sue proprietà uniche e le applicazioni nei vari settori lavorativi.

Definizione

Il grafene è un materiale costituito da carbonio, ma a differenza della grafite e del diamante, possiede caratteristiche tecniche singolari che lo rendono uno dei materiali del domani. La sua struttura chimica è molto basilare ed è composta esclusivamente da atomi di carbonio, come nel caso della grafite e del diamante, ma ciò che lo distingue è la sua conformazione: gli atomi di C si trovano disposti su un piano bidimensionale a forma di nido d’ape, composto cioè da numerose celle esagonali. Questa specifica disposizione atomica conferisce al grafene straordinarie proprietà tecniche, fondamentali ad esempio nel settore elettronico e nell’industria aerospaziale, giusto per menzionare un paio di settori applicativi.

Dal punto di vista tecnico, può essere considerato un allotropo del carbonio. Ma cosa implica tutto ciò? In termini semplici, possiamo asserire che gli atomi di carbonio possono formare diverse configurazioni, che siano tridimensionali (diamante), a forma di palla da calcio (fullereni) o come sottili fogli sovrapposti (grafite).

Un po’ di storia

Quindi, ricapitolando, il grafene è un materiale composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura bidimensionale a reticolo esagonale. È di fatto il materiale più sottile attualmente conosciuto dall’uomo. Quindi, le proprietà del grafene sono davvero straordinarie e non basterebbe un trattato scientifico per descriverle tutte; si pensi che la sua scoperta ha portato alla conquista del premio Nobel del 2010. Un enorme riconoscimento per gli scienziati che l’hanno scovato e studiato a fondo.

Il grafene è stato trovato in modo più o meno casuale all’interno di un laboratorio britannico nel 2004 da due fisici russi; il fine era di ottenere delle strutture sempre più sottili di grafite. Famosissimo è diventato il metodo con cui i due scienziati hanno fatto la loro scoperta, ovvero grazie all’uso del “nastro adesivo” con cui hanno rimosso strato dopo strato i livelli superficiali di grafite.

E come precedentemente annunciato, la scoperta del grafene ha fruttato ai due scienziati Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov il Premio Nobel per la Fisica nel 2010, per i “pionieristici esperimenti sul materiale bidimensionale grafene”. Lo studio di questo materiale è stato successivamente potenziato e adesso esistono un gran numero di laboratori nel mondo dedicati esclusivamente alla ricerca sul grafene.

Tra i programmi di ricerca più interessanti e avanzati possiamo menzionare il Graphene Flagship Project, progetto Europeo di innovazione sul grafene con l’ambizione di aumentare la conoscenza condivisa di questo straordinario materiale.

Caratteristiche del grafene

Questo materiale è così ricco di particolarità che è destinato a rivoluzionare un’ampia gamma di settori produttivi: elettronica, aeronautica, medicina, costruzioni, illuminazione, informatica e altro ancora.

Abbiamo già fatto notare che una delle caratteristiche principali del grafene è l’estrema sottigliezza. Inoltre, la sua impermeabilità ai gas e ai liquidi lo rende un materiale ideale per molte applicazioni.

Conducibilità elettrica

Un’altra delle sue peculiarità più note è l’eccellente conducibilità elettrica. Gli elettroni nel grafene possono muoversi liberamente, permettendo al materiale di condurre elettricità con una resistenza molto bassa. Questo fenomeno è dovuto alla presenza di bande di energia che consentono agli elettroni di fluire senza grandi ostacoli. La mobilità elettronica nel grafene è oltre 100 volte superiore a quella dei normali semiconduttori, rendendolo così un candidato ideale per diverse applicazioni nei dispositivi elettronici.

Capacità fotoassorbenti

Grazie allo spessore estremamente ridotto di circa 0,3 nanometri e alla disposizione degli atomi di carbonio, il grafene assorbe solo il 2,3% delle radiazioni luminose. Pertanto, le sue capacità fotoassorbenti sono straordinarie, tant’è che il grafene potrebbe essere utilizzato come elettrodo trasparente nelle applicazioni di illuminazione più avanzate e high-tech.

Conduzione termica

Il grafene si distingue anche per la forte conduttività termica, che supera quella del rame. Questa caratteristica lo rende particolarmente utile in applicazioni ove è necessaria la gestione del calore e la dissipazione dell’energia. È quindi specialmente impiegato nel settore elettronico, dove un adeguato raffreddamento è essenziale per il corretto funzionamento dei dispositivi.

Andando nello specifico, la singola molecola di carbonio non riesce a condurre il calore in modo particolarmente efficace, ma per il grafene non vale la stessa regola. La particolare disposizione dello strato di carbonio permette infatti al grafene di avere un ottimo grado di conduzione termica a temperatura ambiente, addirittura superiore rispetto ai nanotubi di carbonio e al rame, come già esplicitato. Grazie alla struttura a nido d’ape, tipica delle molecole di carbonio, il grafene assicura un’ottima resistenza, unita a una straordinaria leggerezza e secondo alcune ricerche un metro quadrato di grafene può sostenere 4 kg.

Elasticità

Nonostante la sua rigidità, il grafene è estremamente elastico e flessibile. Può essere allungato fino al 20% della sua lunghezza originale senza rompersi. Questa combinazione unica di proprietà meccaniche rende il grafene adatto a applicazioni che richiedono sia resistenza, che adattabilità.

Trasparenza

Il grafene è quasi completamente trasparente, assorbendo solo circa il 2,3% della luce che lo attraversa. Questa caratteristica lo rende interessante per applicazioni ottiche e dispositivi fotonici, oltre che per schermi e dispositivi di visualizzazione estremamente avanzati.

Biocompatibilità

Un’altra proprietà significativa del grafene è la sua biocompatibilità, che lo rende potenzialmente utile nel campo della medicina e della bioingegneria. Le ricerche sono in corso per esplorare come il grafene possa essere impiegato per il rilascio controllato di farmaci, nella realizzazione di protesi e in applicazioni di imaging medico.

Applicazioni nell’industria

Inoltre, le straordinarie proprietà elettriche del grafene stanno aprendo nuove opportunità nel campo dell’elettronica. I transistor basati su grafene potrebbero superare le prestazioni di quelli più tradizionali al silicio, permettendo la miniaturizzazione e l’aumento della velocità dei dispositivi elettronici. Inoltre, il grafene è utilizzato nella produzione di sensori altamente sensibili in grado di rilevare gas, sostanze chimiche e biomolecole.

Materiali compositi

Il grafene viene integrato in materiali compositi per migliorare le loro proprietà meccaniche. Ad esempio, l’aggiunta di grafene a polimeri o ceramiche aumenta la resistenza e la durabilità del materiale originale. Questi compositi trovano applicazione in settori come l’industria aeronautica, automobilistica e sportiva, dove la leggerezza e la resistenza sono essenziali.

Energie rinnovabili

Il grafene ha dimostrato un grande potenziale per applicazioni nelle tecnologie energetiche, in particolare nelle batterie e nei supercondensatori. Grazie alla sua elevata conduttività elettrica e alla vasta superficie specifica, il grafene può migliorare notevolmente le prestazioni di accumulo di energia, aumentando la velocità di carica e la capacità delle batterie. Inoltre, il grafene è oggetto di studio per il suo utilizzo in celle solari avanzate, dove può incrementare l’efficienza di conversione dell’energia.

Trattamenti e filtrazione dell’acqua

La capacità del grafene di agire come filtro altamente lo rende altresì promettente per la purificazione dell’acqua e la desalinizzazione. Le membrane a base di grafene possono rimuovere contaminanti e sali dall’acqua, rendendola potabile. Questo è particolarmente rilevante in un periodo storico in cui la scarsità d’acqua rappresenta una sfida globale.

Medicina e salute

Nel campo biomedicale, il grafene potrebbe trasformare il modo in cui vengono sviluppati i dispositivi medici. Le sue proprietà biocompatibili permettono la creazione di impianti e dispositivi capaci di interagire con i tessuti umani. Inoltre, la funzionalizzazione del grafene con molecole biologiche apre nuove opportunità nel drug delivery e nella diagnosi precoce di malattie.

Conclusioni

Il grafene è un materiale con proprietà straordinarie che sta cambiando diversi settori industriali. La sua eccellente conducibilità elettrica e termica, insieme alla robustezza, flessibilità e biocompatibilità, lo rendono un candidato ideale per molteplici applicazioni, dall’elettronica alla medicina, dalle energie rinnovabili alla purificazione dell’acqua. Anche se le potenzialità del grafene sono già assodate, è essenziale continuare a investire nella ricerca e nello sviluppo per sfruttare appieno le sue caratteristiche. L’adattamento delle tecnologie esistenti e la creazione di nuovi processi produttivi saranno fondamentali per integrare efficacemente il grafene nelle realtà industriali future. D’altronde, è indubbio che il grafene continuerà a rivoluzionare numerosi settori grazie alle sue caratteristiche uniche, contribuendo in ambiti come l’energia, lo spazio e la sostenibilità.

Credits: troyanphotos/Canva Pro