Dal grafene al grafino: cos’è e perché può essere il nuovo materiale del futuro

Nonostante il grafene sia stato considerato per molti anni il materiale del futuro, nuove ricerche in questo campo potrebbero mesmescolare le carte e dar vita a sostanze ancora più performanti. Parliamo del grafino, un parente del grafene che mostra proprietà ancora più sbalorditive e che, come il suo predecessore, è costituito unicamente da atomi di carbonio legati tra loro. Ecco, è proprio il modo in cui sono legati gli atomi a renderlo così speciale: anziché avere solo legami singoli e doppi, presenta anche legami tripli. Questo, come vedremo, gli conferisce ottime proprietà conduttive che potrebbero rivelarsi essenziali per transistor e celle solari. Ma come è stato ottenuto questo materiale? E quali sono le differenze tra grafene e grafino?

Cos'è il grafino

Costituito unicamente da un reticolo di atomi di carbonio, il grafino è stato per molto tempo un materiale sfuggente: nonostante siano stati svolti molti studi negli anni passati, fino ad ora si era riusciti ad ottenere soltanto alcuni piccoli frammenti. La sintesi di questo materiale in quantità apprezzabili è stata resa possibile per la prima volta da un gruppo di ricerca cinese e americano, i cui risultati sono stati pubblicati il 9 maggio 2022 sulla rivista Nature Synthesis. Ma come è stato ottenuto il grafino?

Per produrre questo materiale il team ha applicato una tecnica di chimica organica che prende il nome di "metatesi alchino". Spieghiamo questo processo in modo semplice, utilizzando l'immagine sottostante.

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Grafene: cos’è, quali sono le sue proprietà e le applicazioni del “materiale del futuro”

Di Stefano Gandelli

A sinistra vediamo la struttura del grafene: in verde e in rosso sono evidenziati due esagoni composti da atomi di carbonio (rappresentati dalla lettera "C"), uno su ogni vertice . Quello che è stato fatto dai ricercatori è "spezzare" i legami tra gli atomi di carbonio, separando i singoli esagoni e ricollegandoli tra di loro aggiungendo un legame triplo (rappresentato nell'immagine di sinistra con una linea azzurra).
In realtà questa tecnica permette di ottenere diverse strutture di grafino: quella ricavata dai ricercatori è il cosiddetto γ-grafino.

Le proprietà del grafino

In linea generale possiamo dire che il grafino eredita tutte le principali proprietà del grafene: è otticamente trasparente, è un ottimo conduttore, flessibile e resistente. A queste caratteristiche se ne aggiungono altre, legate alla presenza dei legami tripli. Tra queste, una delle più interessanti è quella della conducibilità monodirezionale: ciò vuol dire che l'elettricità può essere fatta scorrere in una precisa direzione, a differenza del grafene che permette solo una conduzione multidirezionale.

Inoltre secondo alcuni modelli teorici il grafino può formare dei particolari campi elettrici locali che prendono il nome di Coni di Dirac. Senza scendere nel dettaglio fisico, possiamo dire che concettualmente questa proprietà potrebbe rivelarsi ottima non solo per i transistor ma anche per lo sviluppo di celle solari, rendendo questo materiale addirittura migliore del grafene.
Il team di ricerca ovviamente ha subito compreso le potenzialità del grafino e, quelle che seguono, sono le parole di Yiming Hu, principale autore dello studio:

L'intero pubblico, l'intero campo, è davvero entusiasta del fatto che questo problema di vecchia data, o questo materiale immaginario, si stia finalmente realizzando.

La differenza tra grafene e grafino

Per ricapitolare, possiamo dire che sia grafene che grafino sono allotropi del carbonio, cioè strutture diverse ma dalla stessa composizione chimica. E che vuol dire? Diciamo che gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro in vari modi, dando vita a strutture completamente diverse tra loro. Il tipico esempio che viene fatto è quello di grafite e diamante, entrambi costituiti solo da carbonio ma con strutture (e proprietà) diametralmente opposte. Anche grafene e grafino rientrano in questa famiglia, con la differenza che questo, a differenza del predecessore, presenta anche legami tripli.

Ovviamente la produzione di grafino è ancora a livello sperimentale ed è estremamente costosa, ma se le proprietà si dimostreranno all'altezza delle aspettative, questo materiale potrebbe rivestire un ruolo chiave nel futuro del settore energetico e dell'elettronica.