Grafene: il materiale del futuro che ci cambiera` la vita

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Alla presenza dell’ambasciatore Italiano a Londra Pasquale Q. Terracciano e del responsabile scientifico dell’ambasciata Prof. Roberto Di Lauro, si è svolto all’Istituto di cultura Italiano l’interessantissimo seminario dal titolo:” Graphene Future Emerging Technology”.

Questo è solo il primo di una serie di eventi dedicati alla ricerca scientifica organizzati dall’ufficio scientifico dell’Ambasciata d’Italia a Londra.

Questa iniziativa nasce, come ha detto l’ambasciatore, dal desiderio di promuovere il sapere scientifico tra un pubblico non esperto e allo stesso tempo valorizzare il talento dei tanti ricercatori italiani che lavorano in UK.

Speaker della serata, Prof. Andrea Carlo Ferrari, direttore del Cambridge Graphene Centre e uno dei massimi esperti del grafene, ha illustrato e spiegato le grandi potenzialità di questo nuovo materiale.
Ma cos’è il grafene? Scopriamolo insieme …

Il grafene è costituito da solo atomi di carbonio tutti ibridati nella forma sp², quindi disposti a formare esagoni con angoli di 120° in una struttura detta “a nido d’ape”. L’esistenza di questo materiale era già noto in epoche antiche, compare infatti per la prima volta in un libro del 1565, ma solo nel 1924 ne viene identificata la struttura. Nel 1995, al grafene viene riconosciuta un identità indipendente e definito ufficialmente dalla IUPAC nel seguente modo: “Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può essere considerato come l’elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all’interno dei composti della grafite.”grafene2

La grafite, appunto, la comunissima grafite usata per le mine da matite, che in pratica è formata dalla sovrapposizione tridimensionale di diversi piani di grafene.

I legami C-C presenti nelle strutture esagonali della grafite sono forti, ma i diversi strati sono legati tra loro dalle deboli forze di van der Waals, ciò rende la grafite facilmente sfaldabile in direzione parallela al piano cristallino. Quindi, per dirlo più semplicemente quando utilizzate una matita su un foglio di carta non fate altro che lasciare degli strati di grafene sul foglio.

Fino a pochi anni fa, si pensava che non fosse possibile isolare un singolo strato di grafite, in una forma tale da poter effettuare misure di tipo elettrico.

 

 

 [in foto da sinistra – il responsabile scientifico dell’ambasciata Prof. Roberto Di Lauro e il  Prof. Andrea Carlo Ferrari, direttore del Cambridge Graphene Centre]

Invece, nel 2004, i fisici Konstantin Novoselov e Andre Geim mostrarono, attraverso una semplice tecnica divenuta universalmente nota come il metodo “scotch-tape” hanno isolato un singolo strato che, trasferito su un altro substrato, è stato caratterizzato dal punto di vista elettrico.

In questo modo è stato possibile osservare che il carbonio sotto forma di un strato dello spessore di un atomo ha proprietà straordinarie legate alla fisica quantistica. Per gli esperimenti innovativi riguardanti il grafene, Novoselov e Geim hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2010.

grafene1La cosa più affascinante è pensare, come ha appunto detto il prof. Ferrari, che la ricerca omaggiata da un Premio Nobel ha necessitato sostanzialmente di una mina di matita e del nastro adesivo, elementi comunissimi che diventano un Nobel della fisica nelle giuste mani.
Cosa lo rende così speciale? Ma perché il grafene è definito da alcuni il materiale del futuro?

Come ha egregiamente spiegato il Prof Ferrari, le ragioni sono tutte da ricercare nel fatto che un solo materiale racchiude in se svariate caratteriste già singolarmente straordinarie, tutte riconducibili alla sua conformazione chimico -fisica e la sua particolare struttura a bande. Il grafene è il primo materiale che ha solo 2 dimensioni, cosa particolarissima se si pensa che il mondo fisico per come lo conosciamo ha 3 dimensioni. Inoltre, essendo costituito da un strato monoatomico di carbonio il suo spessore è appunto pari a quello di un atomo ed è quindi il materiale più sottile al mondo.

Immaginate, dunque, un foglio di carta sottilissimo estremamente flessibile ma allo stesso tempo più resistente del diamante.

Il grafene è trasparente, un buon conduttore elettrico e conduce il calore come nessun altro materiale fino ad ora studiato. Inoltre, la sua struttura lo rende sostanzialmente impenetrabile a tutti i gas.Uno studio dell’università di Manchester(1) però dimostra che i protoni sono in grado di attraversarlo.

Tutto queste caratteristiche aprono la strada a svariate applicazioni nell’ industria elettronica, aereospaziale, medica etc. Il grafene può essere usato per costruire transistor che consumano poca energia o nelle fibre ottiche e nei sistemi a cui sono collegate. Questo materiale permetterebbe quindi di creare dei dispositivi che molti definirebbero fantascientifici.

Il prof Ferrari ha mostrato vari esempi come un video riguardante un telefono trasparente che poteva essere piegato e adattato al polso come un orologio, l’idea ha 10 anni ma non è stato ancora prodotto un prototipo.

Oppure, un prototipo per uno schermo che permetta a chi lo tocca ti avere la sensazione tattile dello oggetto raffigurato sullo schermo, quindi toccare la foto di una foglia e avere la sensazione di toccare una foglia vera.

Quest’Ultimo a mio avviso, molto interessante perché permetterebbe ad una persona non vedente l’uso del touch-screen al pari di un normodotato.

Le possibilità sono innumerevoli anche perché partendo dal grafene si è arrivati ad altri materiali bidimensionali che nascono dalla combinazioni di più elementi chimici come il fluorografene, che è un materiale sempre a due dimensione dove ogni carbonio, questa volta ibridato sp3, lega un fluoro.

Questi materiali bidimensionali possono essere utilizzati in combinazione tra di loro, e ciò, rende ancora più vasto e svariato il loro utilizzo in futuro.

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In questo momento, la ricerca è volta alle possibili applicazioni ma anche e soprattutto alle strategie per la produzione di questo materiale. Infatti la scelta del metodo di produzione resta uno dei punti chiave per un possibile uso in larga scala del grafene.

Per concludere, il Prof. Ferrari ha voluto sottolineare come questo la ricerca su questo materiale e lo sviluppo di queste tecnologie, richiedono tempo ed investimenti, quindi un vero impatto nella nostra vita si avrà forse solo tra 10 – 20 anni.

Siamo infatti, solo all’inizio di questa nuova avventura scientifica. Il premio Nobel Adre Geim rispondendo a chi domandava notizie sui possibili usi del grafene ha detto “A cosa serve il Grafene? “Non lo so.

[ In foto ambasciatore Italiano a Londra Pasquale Q. Terracciano]

 

E’ come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo fa e chiedergli cosa ci si può fare. Un po’ di tutto, penso”. Un “po’ di tutto” che esprime quanto la strada sia lunga ma anche quanto sia ricca di nuove ed entusiasmanti prospettive. 

 ulteriori letture qui [G]

vedi il video

 

 

 

 

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