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Che cosa è il grafene?

Con questo articolo spiegheremo in maniera breve ma significativa che cosa sia il grafene.

Edoardo SadaEdoardo Sada

Il grafene è un materiale a base di carbonio scoperto nel 2004 quasi per caso dai due ricercatori Andrej Konstantinovič Gejm e Konstantin Sergeevič Novosëlov che proprio grazie a questa scoperta hanno vinto il premio Nobel per la fisica nel 2010.

Il grafene è oggi oggetto di numerosissimi studi di ricerca e sviluppo grazie alle sue molteplici proprietà e sarà sicuramente uno dei meteriali protagonisti dell’industria del terzo millennio (dopotutto raccontare il futuro è il nostro motto!)

Come è fatto il grafene?

Struttura del grafene

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio disposti formando un esagono bidimensionale che si ripete miliardi di volte formando quello che si può definire come un foglio.
Questo “foglio” avendo lo spessore di un atomo è di fatto il materiale più sottile al mondo, praticamente trasparente attraversabile infatti il 97,7% della luce.

Per capire in maniera semplice che cosa sia il grafene trovo utile riportare quello che fu il primo metodo di ottenimento di questo materiale, ovvero la tecnica dello scotch-tape adottata da Gejm: prendendo un cristallo di graffite ed appoggiandovi sopra del comune nastro adesivo per poi rimuoverlo dalla superficie, parte della graffite rimaneva attaccata al nastro adesivo esfoliando il cristallo.
Il nastro adesivo veniva poi ripiegato su se stesso diverse volte.
Ripetendo questo processo Gejm riuscì ad ottenere dei “fiocchi” di graffite.

I fiocchi potevano poi essere raccolti in maniera semplice in un substrato isolante per creare il famoso “foglio”.

Chiaramente questo processo non è adatto ad essere utilizzato in maniera industriale, tuttavia ritengo renda semplice capire che cosa sia il grafene!

Le proprietà del grafene.

grafene
Grafene

Proprietà elettroniche: il grafene è un semiconduttore ad energy gap nullo con una conducibilità elettrica molto alta.

Proprietà meccaniche: il grafene viene considerato il materiale più resistente in natura, grazie alla sua resistenza a trazione di 130 GPa a fronte di una densità molto bassa pari a 0.77 mg·m-3, molto più alto del modulo dell’acciaio e del Kevlar.

Proprietà ottiche: pur possedendo lo spessore di un solo atomo, è in
grado di assorbire una frazione significativa di luce bianca incidente, pari al 2,3%, molto meglio del silicio che a parità di condizioni assorbe solo lo 0.03% della luce.
Questa proprietà permette quindi di aprire ulteriormente la strada alle finestre fotovoltaiche!!!

Proprietà termiche: il grafene ha delle ottime proprietà di conduzione termica, molto più alta di tutti i valori osservati per le strutture carboniose come nanotubi e grafiti.
Questa caratteristica permette al grafene di essere un ottima soluzione alla sempre più ricorrente esigenza di creare dispositivi elettronici di dimensioni ridotte che dissipino bene il calore.
Il grafene si presta benissimo per questo utilizzo e la sua capacità di dissipare calore è compresa in un gap fra  3500 e 5000 W/mK.
Per darvi un idea, la cugina grafite già utilizzata con questo scopo negli smartphone ha una proprietà termica di quasi 1950 W/mK.

Proprietà chimiche: il grafene può assorbire e desorbire vari atomi o molecole e questa caratteristica viene sfruttata nel campo della sensoristica, soprattutto quella di monitoraggio degli ambienti allo scopo di proteggerli dall’inquinamento ad esempio.
Utilizzando specifici sensori chimici, grazie al grafene si può rilevare anche solo una singola molecola di gas (o altri elementi) non propri dell’ambiente.

Campi di applicazione.

Il grafene è un materiale ancora relativamente giovane ed i campi di applicazione spaziano dal mondo dell’aeronautica, all’informatica, alla mobilità elettrica, alle costruzioni, alla chimica, biologia, batterie, medicina, il settore alimentare etc etc…etc….etc..
(nel prossimo articolo, nella parte automotive, parleremo delle batterie).

La sommatoria delle molteplici proprietà del grafene garantisce che questo materiale occuperà un posto di primaria importanza nelle industrie moderne, e l’Unione Europea ha quindi avviato un programma di finanziamenti per la ricerca e lo sviluppo di oltre un miliardo di euro in 10 anni al fine di accelerare questa transizione.
Il programma si chiama Graphene flagship e annovera un consorzio di 145 gruppi di ricerca fra imprese ed università di oltre 21 paesi diversi.
Per l’Italia ad essere stata interpellata è Leonardo spa azienda attiva nei settori della difesa, dell’aerospazio e della sicurezza fa orgogliosamente parte di questo progetto come afferma il CTO della Lob Spazio, Marco Molina.

Spireall, raccontiamo il futuro!