Il grafene
“Il materiale delle meraviglie”
A cosa serve il grafene?
“Non lo so. È come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo fa
e chiedergli cosa ci si può fare. Un po’ di tutto, penso”.
- Andre Geim
Alberto Campisi 4a B Elettronica
I.T.I.S. Enrico Fermi
Siracusa
IL CARBONIO
Il carbonio presenta una grande versatilità dovuta essenzialmente alla sua capacità a
stabilire legami chimici di tipo diverso sia con altri atomi di carbonio sia con altri elementi.
Ciò permette l’esistenza di milioni di composti organici in cui il carbonio ha la possibilità di
dare forma a strutture molecolari anche molto complesse. Il motivo di questo
comportamento risiede nella singolare combinazione di proprietà che l’atomo di carbonio
possiede, piccole dimensioni, elettronegatività intermedia, quattro orbitali di legame che
possono formare legami con geometrie spaziali diverse. È per questa ragione il carbonio si
trova in natura in forme cosiddette allotropiche, con strutture chimiche caratterizzate da
diversi legami tra gli atomi: il diamante, la grafite, il fullerene, i nanotubi di carbonio e da
ultimo il grafene, considerato il materiale delle meraviglie.
IL GRAFENE
Nel diamante ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi disposti ai vertici di un
tetraedro, mentre nella grafite ogni atomo di carbonio è legato ad altri tre atomi formando
una serie di strutture planari, tenute insieme tra loro da deboli forze intermolecolari.
La natura dei legami determina le proprietà complessive dei materiali solidi, ad esempio il
diamante ha una notevole durezza ed è un isolante elettrico, mentre nella grafite un
elettrone dell’orbitale p, non impegnato in legami covalenti, è libero di muoversi ed è
messo in compartecipazione con tutti gli altri atomi del cristallo rendendola conduttrice.
I piani cristallini della grafite, a differenza del diamante, essendo legati tra loro debolmente
possono essere facilmente sfaldati. Il grafene è costituito da un singolo piano di grafite che
presenta una struttura bidimensionale ultrasottile ed è considerato uno dei materiali più
promettenti per la sua grande versatilità in numerose applicazioni tecnologiche.
Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente
cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza meccanica
del diamante e la flessibilità della plastica. Come suggerisce la desinenza -ene del nome, gli
atomi sono ibridati nella forma sp², e si dispongono a formare esagoni con angoli di 120°. In
presenza di imperfezioni (pentagoni o ettagoni invece degli esagoni), la struttura si
deforma: quando ci sono 12 pentagoni, si ha un fullerene. La presenza di singoli pentagoni o
ettagoni provoca invece increspature della superficie.
La definizione ufficiale del grafene data dalla IUPAC è la seguente:
“Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può
essere considerato come l'elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e
la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all'interno dei
composti della grafite. Il termine "strato di grafene" viene comunemente utilizzato
all'interno della terminologia del carbonio”.
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 Gejm e Konstantin
Novoselov dell'Università di Manchester. Nonostante i problemi iniziali riscontrati
nell'applicabilità del grafene a singolo strato, i due fisici hanno evoluto il materiale fino alla
costruzione del cosiddetto grafene a doppio strato, il quale garantisce più resistenza e
flessibilità di utilizzo.
Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture di tipo
pentagonale o ettagonale costituiscono infatti dei difetti. In particolare, in presenza di una
cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una
forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha la formazione di un fullerene.
Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che
trasforma la struttura planare in una sella. Quindi l'inserimento controllato di tali celle
pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubi
di carbonio a singola parete possono essere considerati come dei cilindri di grafene; talvolta
alle estremità di questi nanotubi si possono trovare delle strutture emisferiche, costituite da
fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo".
PRODUZIONE DEL GRAFENE
Grafene esfoliato
L’esfoliazione meccanica della grafite consiste nell’applicazione di una forza alla superficie
di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino ad
ottenere il singolo strato. I primi tentativi in tal senso sono stati riportati già nel 1998,
quando l’interazione di punte per analisi AFM (microscopio a forza atomica) e STM
(microscopio a effetto tunnel) con la superficie della grafite fu sfruttata per fornire
un’energia sufficiente a superare le forze di attrazione inter-piano e portare alla rimozione e
isolamento dello strato monoatomico cristallino. In seguito, il gruppo di André Geim, ha
sviluppato un metodo molto semplice, divenuto universalmente noto come il metodo
scotch-tape, che usa del semplice nastro adesivo per esfoliare la grafite.
La tecnica consiste nel porre la superficie di un cristallo di grafite sul nastro adesivo,
staccare il nastro e pelare così alcuni strati di materiale. Il nastro con l’impronta della grafite
viene quindi ripiegato su se stesso e svolto per diverse volte. Ogni volta, i fiocchi deposti si
dividono in strati sempre più sottili. Alla fine del processo, i sottili fiocchi adesivi possono
essere trasferiti in maniera semplice ad un substrato isolante. L’esfoliazione meccanica è il
metodo più semplice ed accessibile per isolare fiocchi di grafene della dimensione di alcuni
micron quadri, utili per la ricerca di base sulle sue proprietà. Purtroppo questo metodo non
si offre per una produzione di tipo industriale.
Ossido-riduzione della grafite
Finora gli sforzi dei ricercatori sono stati diretti soprattutto verso l’esfoliazione dell’ossido di
grafite (GO), un materiale avente la stessa struttura lamellare della grafite nel quale però
alcuni atomi di carbonio presentano legami con ossigeno sotto forma di ossidrili (-OH) o
di carbonili (C=O) o più raramente di carbossili (-COOH), ed in cui la distanza tra gli strati di
grafene aumenta a causa dell’ingombro dell’ossigeno. La sua natura fortemente idrofilica
consente di ottenere, mediante l’utilizzo di onde acustiche ultrasoniche,
l’intercalazione (ovvero l’inclusione reversibile di molecole all’interno di altre molecole o
gruppi) di molecole d’acqua e, conseguentemente, una semplice e pressoché completa
esfoliazione (~90%) del materiale in strati monoatomici di GO. Il grafene ossido è però un
materiale isolante in cui i legami con l’ossigeno devono essere scissi ed il carbonio ridotto
per poter avere le stesse proprietà del grafene.
Metodo chimico
Il grafene viene ottenuto in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite vengono trattati con
una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico, e
successivamente ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene con gruppi
carbossilici ai bordi. Mediante trattamento con cloruro di tionile (SOCl2), queste molecole
periferiche vengono trasformate in cloruri acilici (alogenuri acilici composti da un acile e un
atomo di cloro) e poi in ammidi. Il risultato è un cerchio di
grafene solubile in tetraidrofurano, tetraclorometano e dicloroetano.
PROPRIETÀ DEL GRAFENE
Le proprietà del grafene dipendono dal fatto che il carbonio ha quattro elettroni di cui tre
impegnati (ibridazione sp2) nei legami planari che rendono possibile la struttura
bidimensionale. Il quarto elettrone, presente nell’orbitale p che si estende verticalmente
rispetto agli altri, è in grado di muoversi attraverso lunghe distanze nel grafene quasi
liberamente. La capacità di conduzione elettrica del grafene è superiore dalle 10 alle 100
volte quella dei conduttori tradizionali, in cui gli elettroni collidendo con gli atomi dissipano
la propria energia come calore. La descrizione quantistica degli elettroni di conduzione
interagenti con il potenziale del grafene avviene attraverso un gas di elettroni (quasi
particelle) privi di massa a riposo.
Proprietà elettroniche
Il grafene presenta ottime caratteristiche come conduttore. Per questo motivo si pensa che
verrà presto utilizzato in molti oggetti tecnologici sul mercato.
Proprietà ottiche
Il grafene è spesso solo un atomo, per questo può essere definito "bidimensionale". Se si
applica del grafene su un qualunque oggetto, il grafene risulterà invisibile.
Proprietà termiche
Il grafene è un ottimo conduttore termico grazie alla proprietà del carbonio.
APPLICAZIONI DEL GRAFENE
Grazie alle sue proprietà elettriche, le applicazioni più promettenti del grafene sono legate
all’elettronica vista la combinazione nello stesso materiale delle caratteristiche richieste al
conduttore ideale, come il più basso valore di resistività (~1,0∙10-8Ωm), l’elevata densità di
corrente che vi può fluire (>108 A/cm2), l’alto valore di conducibilità termica (600 Wm-1K-1).
Circuiti integrati
Il grafene mostra delle ottime caratteristiche come conduttore, ed è oggetto di intensi
programmi di studio al fine di utilizzarlo per la realizzazione di sistemi a semiconduttori.
I circuiti integrati, come dice la parola 'integrati', indica proprio la possibilità di integrare più
circuiti logici in un unico sistema, visto che il grafene può essere lavorato a grandezza
molecolare, nei limiti dei nanometri, come già esplicitato sopra le proprietà fisiche e
strutturali, si possono costruire mini circuiti logici in un unico sistema, avendo buona
dispersione termica e un'ottima conducibilità elettrica potendo costruire dei chips
all'avanguardia, con molte più logiche rispetto ad un comune processore e sforzando di
meno le librerie, visto che si hanno più circuiti logici all'interno del chip.
Transistor
Nel 2010, un gruppo di ricerca della IBM è riuscito a realizzare un transistor al grafene con
una frequenza di funzionamento massima di 100 GHz e lunghezza del gate di 240 nm.
Nel 2011, sempre IBM è riuscita a realizzare un transistor dello stesso materiale con una
frequenza di 155 GHz e lunghezza del gate di 40 nm. Sempre nel 2010, all’UCLA, un altro
test con il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor raggiungendo i 300 GHz.
Analoghi transistor realizzati con tecnologie all'arseniuro di gallio hanno una frequenza
massima di 40 GHz.
Touch screen flessibili
Il grafene è praticamente trasparente non solo
alla luce visibile, ma anche all’infrarosso e all’
ultravioletto (la trasmissione ottica è circa il
98 % della luce incidente), quindi potrebbe
essere molto adatto per la produzione di touch
screen stampabili su fogli di plastica invece che
di vetro, panelli solari e celle solari sostituendo
quindi i più fragili e costosi ossidi di Indio-Stagno.
Molti esperti ritengono che proprio i touch-screen
saranno i primi prodotti a grafene ad essere immessi
nel mercato.
Pannelli fotovoltaici
Nuovi tipi di pannelli solari attualmente in sviluppo,
consistono di celle fotovoltaiche inserite tra due strati
di grafene. Quando la luce attraversa il grafene ed è
assorbita dal silicio, i fotoni eccitano gli elettroni del
silicio che migrano al contatto negativo di grafene e si
muovono attraverso la struttura del grafene verso un
circuito esterno che producendo elettricità.
Rilevazione di molecole di gas
Il grafene è stato proposto come un materiale capace di immagazzinare idrogeno. Infatti il
grafene se deformato forma delle "creste", e l'idrogeno tende a accumularsi sulle punte
delle creste del grafene. Per rilasciare il gas è necessario rilasciare la deformazione del
grafene, in modo che l'idrogeno non trovi più la cresta. Le molecole di gas che si depositano
sul grafene alterano le sue proprietà elettroniche in maniera misurabile. Questo permette
di creare sensori basati sul grafene in grado di analizzare la presenza di gas (NO2,NH3,CO) e
di vapore acqueo H2O. Gli studi preliminari danno indicazioni molto incoraggianti sia in
termini di risposta che in termini di selettività del sensore.
Supercondensatori
Un’interessante applicazione del grafene è la sua capacità di agire come condensatore per
accumulare energia elettrica prodotta da celle solari. Questi supercondensatori basati su
grafene mostrano una densità di energia specifica di 85,6 Wh/kg a temperatura ambiente e
136 Wh/kg a 80 °C, che è simile a quella delle batterie di tipo nichel-idruri metallici. La
principale differenza è che i supercondensatori possono essere riutilizzati un numero
indefinito di volte e possono essere caricati e scaricati in maniera estremamente veloce.
Setaccio molecolare
Recenti ricerche hanno mostrato che la particolare struttura molecolare del grafene
consente di creare dei fori di qualsiasi dimensione sulla sua superficie, realizzando una sorta
di setaccio molecolare. Questo permette di utilizzare il grafene nel processo di
desalinizzazione dell'acqua. Infatti il grafene, grazie alle dimensioni dei suoi fori è in grado di
impedire il passaggio delle molecole di NaCl, lasciando invece passare le molecole d’acqua.
Nelle simulazioni realizzate, il grafene nanoporoso si è dimostrato essere in grado di
ottenere la desalinizzazione dell’acqua marina con un metodo centinaia di volte più
efficiente delle tradizionali tecniche di osmosi inversa e ad un costo energetico molto basso.
Questi ultimi sistemi richiedono una pressione elevatissima – e quindi un alto consumo di
energia – per forzare l’acqua attraverso membrane che sono circa un migliaio di volte più
spesse del grafene. Al contrario con un foglio di grafene si potrebbe operare a pressioni
molto più basse e purificare l’acqua ad un costo inferiore.
