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1 Luglio 2022
7:30

Grafene: cos’è, quali sono le sue proprietà e le sue applicazioni

Il grafene è un materiale composto da carbonio ma, a differenza di grafite e diamante, ha proprietà tecniche uniche che lo rendono uno dei materiali del futuro.

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Grafene: cos’è, quali sono le sue proprietà e le sue applicazioni
grafene

Negli ultimi anni si parla sempre di più di grafene, un particolare materiale dalle eccellenti proprietà tecniche che, spesso, viene etichettato come "materiale del futuro". La sua composizione chimica è molto semplice e costituita unicamente da atomi di carbonio – come grafite e diamante – ma ciò che lo rende unico è la sua struttura: gli atomi di C sono disposti lungo un piano bidimensionale a nido d'ape, formato cioè da tante celle esagonali. Questa particolare disposizione degli atomi dona al grafene eccellenti proprietà tecniche, essenziali ad esempio nell'elettronica e nell'industria aerospaziale, giusto per citare un paio di campi di applicazione.
In questo articolo vedremo quindi cos'è il grafene, quali sono le sue proprietà e per cosa viene utilizzato.

Cos'è il grafene?

Il grafene è un materiale formato da uno strato bidimensionale di atomi di carbonio disposti in celle esagonali e da un punto di vista tecnico può essere definito come un "allotropo" del carbonio. E cosa significa?
In parole semplici possiamo dire che gli atomi di carbonio possono dar vita a diverse strutture, siano esse tridimensionali (diamante), a forma di pallone da calcio (fullereni) o di sottili "fogli" impilati gli uni sugli altri (grafite).

diamante grafite
Confronto tra struttura del diamante (a sinistra) e della grafite (a destra) (Credit: Materialscientist, CC BY–SA 3.0, via Wikimedia Commons).

Ecco, prendiamo proprio la grafite. Possiamo immaginarla come un libro, dove ogni suo foglio è uno strato di grafene. Concettualmente, quindi, se riuscissimo a "strappare" una per una ogni pagina di grafite, otterremmo tantissimi fogli di grafene… e più o meno è proprio così che è stato scoperto questo incredibile materiale!

grafite grafene

Come è stato scoperto il grafene?

Il grafene fu scoperto nel 2004 da una coppia di ricercatori dell’Università di Manchester, Andre Geim e Kostya Novoselov. Il loro obiettivo era quello di ottenere uno strato di grafite il più sottile possibile e, per farlo, iniziarono ad asportare materiale da polvere di grafite usando del semplice nastro adesivo. Ad ogni passaggio parte della polvere veniva asportata, fino a ottenere un singolo strato di atomi di carbonio che, in seguito, venne identificato come grafene. Se riprendiamo l'esempio della grafite e del libro, il nastro adesivo permise di rimuovere pagina dopo pagina ogni livello di carbonio, fino ad ottenere un singolo foglio di grafene.

grafene esperimento
Riproduzione dell’esperimento con il nastro adesivo (TaisiyaRu, CC BY–SA 4.0, via Wikimedia Commons)

Questa scoperta ottenuta con una tecnica tutto sommato molto semplice ha permesso ai due scienziati di ottenere un Premio Nobel per la fisica nel 2010! Il materiale ha suscitato fin da subito un elevato interesse, tanto da aver spinto l’UE a fondare nel 2013 il Graphene Flagship. Il progetto, della durata di 10 anni, prevede un complessivo stanziamento di 1 miliardo di euro da investire nella ricerca sul materiale e sulle sue applicazioni industriali.

Le proprietà del grafene

Per prima cosa dobbiamo dire che il grafene è molto forte (cioè resiste molto bene alle deformazioni) e che possiede un'ottima resistenza termica. Si tratta poi di un semimetallo, quindi ha una struttura elettronica simile a quella dei semiconduttori, permettendo agli elettroni di muoversi molto rapidamente per lunghe distanze (a livello atomico). Inoltre il grafene può sostenere una densità di corrente elettrica sei volte più grande di quella del rame, è leggero, flessibile, estremamente impermeabile ed è il materiale più sottile che esista, con lo spessore di un solo atomo. Se a questo aggiungiamo la possibilità di deporre il materiale sulla superficie di altri cristalli, non stupisce per quale motivo le applicazioni del grafene siano considerate così vaste.

In realtà recenti studi hanno permesso di ottenere il grafino, un materiale dalle proprietà ancora più peculiari e ottenuto a partire proprio dal grafene. Si tratta di una sostanza formata sempre da carbonio, dove la presenza di tripli legami permette di avere una conducibilità monodirezionale: ciò vuol dire che è possibile far scorrere l'elettricità in una precisa direzione, a differenza del grafene che permette solo una conduzione multidirezionale.

Le sue applicazioni

A questo punto ci si potrebbe chiedere cosa si può fare con il grafene? Le sue applicazioni industriali sono numerosissime e probabilmente la maggior parte è ancora da scoprire.
Uno tra i principali campi nei quali viene utilizzato il grafene è la scienza dei materiali, dal momento che il grafene può combinarsi ad altre sostanze come metalli e plastiche, rendendole non solo più forti ma anche più leggere – visto che si può utilizzare meno materiale "di base" in favore del ben più leggero grafene. Queste proprietà sono ottime ad esempio per il settore aerospaziale, delle costruzioni e della telefonia.

Il grafene si sta rivelando estremamente importante anche nel campo dell'immagazzinamento dell'energia, visto il grande rapporto tra superficie e volume. Queste caratteristiche lo rendono ottimo non solo per batterie al grafene ma anche per la realizzazione di supercondensatori, in grado di immagazzinare più energia e di ricaricarsi più in fretta.
Questi sono solamente alcune delle infinite applicazioni di questo materiale, alle quali si aggiungono superfici e vernici anti-corrosione, display flessibili, pannelli solari più efficienti, dissalatori di acqua marina e numerose applicazioni in campo biomedico e delle neuroscienze.

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Stefano Gandelli
Redattore
Sono un geologo appassionato di scrittura e, in particolare, mi piace raccontare il funzionamento delle cose e tutte quelle storie assurde (ma vere) che accadono nel mondo ogni giorno. Credo che uno degli elementi chiave per creare un buon contenuto sia mescolare scienza e cultura “pop”: proprio per questo motivo amo guardare film, andare ai concerti e collezionare dischi in vinile.
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