Il grafene è uno strato monoatomico di atomi di carbonio organizzati secondo una struttura cristallina a celle esagonali.
Quando gli atomi di carbonio si legano in maniera casuale, si ottiene la grafite, quella delle matite. Quando invece si legano in maniera ordinata in strutture tridimensionali, abbiamo il diamante. Il grafene ha una struttura ordinata, ma a due dimensioni: si tratta infatti di un “foglio” dello spessore di un singolo atomo (monoatomico). Un materiale dalle proprietà fantascientifiche che fu scoperto per caso nel 2004 in un laboratorio inglese, quando due scienziati cercavano di ottenere uno strato di grafite più sottile possibile. Tale struttura può essere considerata come la struttura di base per la costruzione di tutti gli altri materiali grafitici noti come il fullerene (0D) e i nanotubi di carbonio (1D).
Studi teorici risalenti a più di sessant’anni fa (i primi lavori risalgono al 1947) hanno dimostrato che il grafene, per via della particolare geometria del sistema e della configurazione elettronica del carbonio, possiede una struttura, con caratteristiche meccaniche, oltre che elettroniche, eccezionali.
Il grafene ha la possibilità intrinseca e unica di diventare una tecnologia rivoluzionaria grazie alle sue proprietà fisiche che si traducono in vantaggi potenziali nei più grandi settori industriali nelle aree dell’ICT, dell’energia, dei trasporti, della scienza dei materiali e della salute.
Il grafene potenzialmente può essere alla base di nuove tecnologie che contribuiranno, ad esempio, a una maggiore qualità della vita per una popolazione che invecchia attraverso nuovi hardware, migliorando l’efficienza delle risorse attraverso la sostituzione di metalli e materiali scarsi, mitigando gli effetti del cambiamento climatico attraverso dispositivi ad alta efficienza e materiali leggeri e promuovendo una sicurezza energetica per la società attraverso la nuova tecnologia di immagazzinamento dell’energia.
Ad esempio, le innovazioni nelle tecnologie dei materiali e dei compositi hanno un impatto diretto sui trasporti (aerospaziale, automobilistico) e sulla salute; l’introduzione del grafene nello stoccaggio e nella generazione di energia è potenzialmente di fondamentale importanza per l’energia e i trasporti; e i sensori basati sul grafene hanno una moltitudine di applicazioni in salute, trasporti, energia e ambiente. L’industria automobilistica potrebbe sfruttare il grafene nei sensori, nei materiali compositi e nell’accumulo di energia in un futuro relativamente prossimo. Nuovi compositi, batterie e supercondensatori più efficienti e nuovi tipi di sensori sono esempi di tecnologie che, a loro volta, miglioreranno le applicazioni nei più svariati campi di impiego.
Alcuni esempi di applicazioni innovative dove il grafene potrà essere determinante nel prossimo futuro:
• Grazie alla possibilità di creare “buchi” nella sua struttura, può diventare un depuratore d’acqua o un filtro per l’aria. Oppure una parete molecolare che imita la membrana delle cellule, e quindi fa passare solo alcune sostanze.
•La sua conduttività elettrica (è meglio del rame) lo può rendere una minuscola lampadina o una retina bionica, ma soprattutto stravolgerà il mondo dell’informatica.
• Utilizzando fogli di grafene, sono state realizzate costruzioni spugnose in 3D, 10 volte più dure dell’acciaio e decisamente più leggere. Ed è proprio per questo connubio fra resistenza e leggerezza che il grafene è stato indicato come possibile materiale per futuribili applicazioni.
• Elettronica stampabile e flessibile. Questo campo si sta sviluppando rapidamente e si prevede che emergerà come un’alternativa o un complemento alle tecnologie di produzione elettronica convenzionali. Le proprietà elettroniche e ottiche del grafene, combinate con la possibilità di essere incorporato in inchiostri e formulazioni, dovrebbero migliorare le prestazioni del dispositivo in una varietà di applicazioni elettroniche stampate. Ci si può aspettare dispositivi e sistemi elettronici versatili e a basso costo, con nuovi interessanti attributi come elasticità e flessibilità, combinati con il potenziale di integrazione in altri materiali come i tessuti e la plastica.
• A causa della grande mobilità e dell’elevata velocità di saturazione dei portatori di carica nel grafene, i dispositivi in grafene sono estremamente promettenti per l’elettronica ad alta frequenza.
• Componenti fotoniche e plasmoniche. La combinazione di proprietà ottiche ed elettroniche uniche del grafene e dei materiali bidimensionali crea nuove caratteristiche che sono state studiate solo in misura molto limitata fino ad ora. Verranno esplorate diverse potenziali applicazioni come sensori, fotorilevatori e fotovoltaico. Studi preliminari suggeriscono che è possibile ottenere celle solari più efficienti e fotorilevatori a maggiore reattività utilizzando il grafene.
• Sistemi optoelettronici integrati. Il grafene ha proprietà ottiche straordinarie e sintonizzabili che possono essere sfruttate in applicazioni optoelettroniche e di visualizzazione. Sfruttando i progressi previsti nell’area elettronica stampabile e flessibile, il grafene può consentire nuovi approcci alle integrazioni di sistema per combinare, ad esempio, display flessibili e robusti con altre funzioni come backplane elettronici, batterie flessibili, antenne stampate e touchscreen.
• Altri materiali e componenti 2D. Altri materiali bidimensionali completano il grafene e possono essere combinati con esso per personalizzare strutture sandwich con caratteristiche superiori in dispositivi elettronici e applicazioni di materiali.
• Compositi di grafene. I compositi a base di grafene aprono nuove possibilità nelle applicazioni automobilistiche, aerospaziali e dei dispositivi medici. I materiali compositi in grafene possono essere impiegati in strutture che sono anche autodiagnostiche, cioè in grado di monitorare la propria integrità strutturale. Inoltre, la dispersione del grafene negli inchiostri e nelle formulazioni migliorerà le proprietà ottiche e meccaniche in un’ampia gamma di vernici e materiali di rivestimento.
• Supercondensatori e batterie. Nuovi supercondensatori e batterie a base di grafene vengono sviluppate già oggi per la loro potenziale maggiore densità di energia. Questi dispositivi di accumulo di energia fornirebbero tecnologie abilitanti chiave non solo nel settore dell’elettronica portatile e di consumo, ma anche in qualsiasi altro campo che richieda soluzioni di accumulo di energia efficienti, come auto elettriche e veicoli di trasporto pubblico elettrici.
• Sensori. La sottigliezza e l’ampia superficie del grafene, combinate con la capacità di funzionalizzare una superficie di grafene, offrono una piattaforma ideale per applicazioni di sensori biochimici.
Claudio Colletti
Laureato in Ingegneria Chimica all’università di Palermo, dove ha conseguito anche il Dottorato in Tecnologie Chimiche e dei Nuovi Materiali.
Ambientalista da sempre, lavora nel project management nel campo delle energie rinnovabili.
