Il grafene, nuovo materiale delle meraviglie

Questo sorprendente nanomateriale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, con una struttura bidimensionale ultrasottile, è considerato uno dei materiali più promettenti per la sua grande versatilità in numerose applicazioni tecnologiche.

                                                           Video: Documentario Rai Superquark

RIFERIMENTI DIDATTICI

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”.

 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. Fino a pochi anni fa, si riteneva difficile ottenere un singolo strato di grafite perché ritenuto termodinamicamente instabile. Nel 2004 Konstantin Novoselov e Andre Geim dell’università di Manchester sono riusciti ad isolare un singolo strato di grafite e hanno messo a punto metodi per caratterizzare le proprietà elettriche del grafene, ricevendo per questo il Premio Nobel per la Fisica 2010.

Il monostrato atomico di grafene si può considerare la struttura di base di altri allotropi del carbonio, i nanotubi e i fullereni. I primi possono essere ottenuti avvolgendo uno strato di grafene a forma di cilindro, mentre i secondi ripiegando il foglio di grafene su se stesso in forma sferica.

La scoperta sperimentale del grafene ha determinato un grande interesse per le proprietà eccezionali mostrate da questo materiale. Infatti, oltre ad essere il più sottile dei materiali esistenti, mostra una resistenza e una rigidità superiore a quella dell’acciaio e una capacità di conduzione elettronica a temperatura ambiente più veloce di qualsiasi altra sostanza.

 Le proprietà principali del grafene risiedono nella perfetta disposizione degli atomi di carbonio dovuta al forte legame esistente tra loro. Allo stesso tempo, i legami sono abbastanza flessibili da permettere uno stiramento fino al 20% della sua dimensione originale. La struttura del grafene consente agli elettroni di muoversi su lunghe distanze senza subire perturbazioni e quindi permettendo una conducibilità elettrica molto superiore a quella dei normali conduttori.

 Il grafene ha permesso anche lo studio di fenomeni quantistici finora discussi soltanto teoricamente come ad esempio il cosiddetto "Paradosso di Klein", secondo il quale una particella dovrebbe muoversi a velocità prossime a quelle della luce per ottenere un'energia tale da fargli "oltrepassare" un'infinita barriera di potenziale. Questa condizione si applicherebbe agli elettroni nel grafene che si muovono come se la barriera non esistesse. Queste eccezionali caratteristiche rendono il grafene potenzialmente adatto a innumerevoli applicazioni, che vanno dall’elettronica ad alta frequenza, alla costruzione di touch-screen, celle solari, sensori flessibili e materiali compositi ad alte prestazioni.

Fig.1 Forme allotropiche del Carbonio. (a) Grafite, (b) Diamante, (c) Fullerene, (d) Nanotubi, (e) Grafene

Prerequisiti

Come prerequisiti necessari è importante la conoscenza della struttura atomica, dei legami chimici ed elementi di chimica organica.

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