Il potenziale del grafene nella nuova era dei materiali

Giuseppe Forte

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La scoperta del grafene si deve ad Andrej Gejm e Konstantin Novoselov, due fisici dell’Università di Manchester che nel 2004 sono stati capaci di ottenere una struttura composta da uno strato monoatomico di carbonio. Questa struttura bidimensionale ultrasottile rappresenta il vero e proprio punto di forza di questo materiale, considerato tra i più promettenti ed affidabili per la sua grande versatilità in numerose applicazioni tecnologiche.

Il grafene è stato ottenuto in laboratorio attraverso del comune nastro adesivo, utilizzato per isolare meccanicamente gli strati atomici da un cristallo di grafite fino ad ottenere uno spessore pari a quello di un singolo atomo; la scoperta dei due ricercatori è stata riconosciuta e premiata con il Nobel per la fisica nel 2010. L’introduzione del grafene in campo sperimentale ha determinato un grande interesse per le proprietà eccezionali mostrate da questo materiale; infatti, oltre ad essere il più sottile tra tutti quelli esistenti, mostra una resistenza meccanica e una rigidità cento volte superiore a quella dell’acciaio e una capacità di conduzione elettronica a temperatura ambiente più veloce di qualsiasi altra sostanza.

Le proprietà principali risiedono nella stabile ed ordinata disposizione degli atomi di carbonio dovuta alle elevate forze di legame esistenti tra loro. Il modello molecolare del reticolo cristallino è composto da delle celle esagonali; allo stesso tempo, i legami sono così flessibili da permettere uno stiramento fino al 20% della sua dimensione originale. Si tratta di peculiarità che consentono al materiale di essere circa 1000 volte più leggero di un foglio di carta per unità di superficie. La struttura del grafene consente agli elettroni di muoversi su lunghe distanze senza subire perturbazioni e quindi garantendo una conducibilità elettrica molto superiore a quella dei normali conduttori. Inoltre, sfruttando le proprietà termiche del carbonio, si rivela estremamente versatile anche nelle vesti di conduttore di calore.

Il monostrato atomico di grafene si può considerare come la struttura di base di molte altre forme allotropiche del carbonio, come i nanotubi e i fullereni. I primi possono essere ottenuti avvolgendo uno strato di materiale a forma di cilindro mentre i secondi ripiegando il foglio su se stesso in forma sferica. Tutte queste particolari caratteristiche rendono il grafene potenzialmente adatto a diversi tipi di applicazioni. Nel futuro più prossimo, i possibili impieghi potrebbero riguardare la realizzazione di componenti elettrici come sensori, batterie, celle solari, touch-screen, circuiti integrati e anche materiali compositi ad alte prestazioni. Il suo potenziale gli permetterebbe di essere utilizzato anche nel processo di desalinizzazione dell’acqua.

Recentemente, è stato scoperto che il grafene è in grado di trattenere energia in maniera più efficiente della grafite; in questo modo è possibile ottimizzare esponenzialmente la ricarica delle batterie, in particolare di quelle destinate all’alimentazione dei veicoli elettrici. Attraverso l’introduzione di alcuni atomi di boro, gli ioni di litio delle batterie riescono ad aderire più facilmente al grafene, contribuendo così a fornire una carica immediata. Diversi costruttori, come Hyundai e Kia, hanno già mostrato uno spiccato interesse verso queste applicazioni; un esempio sono le auto elettriche a fuel cells. Il grafene potrebbe dunque favorire la riduzione del costo dell’idrogeno da fonti rinnovabili.

Il professor Forsyth della Facoltà di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Manchester è convinto che lo stoccaggio di energia tramite il grafene possa contribuire ad aumentare l’efficienza dei veicoli elettrici, riducendo anche il peso delle batterie; ciò contribuirebbe anche ad estendere ulteriormente il range di autonomia dei veicoli elettrici. Il vantaggio di utilizzare il grafene risiede nella sua zona superficiale che si presenta tanto sottile quanto versatile. Secondo un altro professore di Manchester, Brian Derby, affinché il materiale si riveli effettivamente utile, gli strati di atomi devono essere confezionati in un oggetto 3D.

Per quanto riguarda il settore fotovoltaico, il grafene può essere impiegato per sviluppare rivestimenti anti-riflesso per celle solari. Alcuni ricercatori in India hanno scoperto che il materiale è in grado di ridurre la riflettanza vicino alla parte ultravioletta dello spettro solare dal 35% al solo 15%. Silvija Gradečak del MIT di Boston ha anche verificato come il grafene sia in grado di fornire una maggiore efficienza nella conversione di potenza all’interno delle celle fotovoltaiche.

Resistente, rigido, trasparente, flessibile, ottimo conduttore di elettricità e di calore. Queste, in sintesi, sono le principali proprietà di questo materiale, divenuto ormai un elemento di fondamentale importanza per la ricerca. La facile riproducibilità a livello industriale è un ulteriore incentivo verso la sperimentazione e la conoscenza di quello che probabilmente sarà il costituente principale di molte applicazioni del futuro.