GRAFENE: IL MATERIALE DEL FUTURO

Il grafene è una molecola bidimensionale, spessa solo una molecola (0,35 nm) di atomi di carbonio, scoperto dal gruppo di ricerca dei Prof. Andre Geim e Novoselov della Manchester University. Consiste in atomi di carbonio esagonali in disposizione vincolata molto simile a quella della maggior parte degli atomi di grafite, in grado di rimanere stabile da solo.
Il grafene è un piano di atomi di carbonio che assomiglia ad una griglia ed è la base di tutti i materiali derivati dalla grafite raffigurati sotto.     La Grafite è il principale componente della matita,  è una sostanza friabile che assomiglia a una "torta a strati" debolmente legati tra loro.       Quando il grafene è avvolto in forme arrotondate si hanno dei fullereni, ovvero materiale a nido d'ape dalla forma cilindrica noti come nanotubi di carbonio; quando assume la forma di pallone da calcio chiamato viene chiamato buckyballs . Il grafene viene creato in laboratorio, tramite procedimento che prevede dapprima il trattamento dei cristalli di grafite con una soluzione a base di acido solforico e nitrico; quindi i cristalli vengono ossidati ed esfoliati per avere dei cerchi con gruppi carbossilici ai bordi. Infine si ha un trattamento con tionile cloruro che trasforma le molecole in cloruri acilici e successivamente in ammidi. Lo strato compatto di atomi di carbonio permette di trasportare elettroni a notevole velocità, e pertanto il grafene risulta essere un ottimo materiale per dispositivi elettronici.  MOLECOLA DEL GRAFENE Gli atomi di grafene sono ibridati nella forma sp2 e si dispongono in forma esagonale con angoli a 120°. In caso di variazione della struttura, vale a dire in caso di disposizione pentagonale o ettagonale, si verifica una deformazione; con 12 pentagoni si ha la creazione però di un fullerene. In caso invece in cui si abbia un solo pentagono o un solo ottagono, sulla superficie sorgeranno increspature. Corriere della Sera     Il futuro sarà l'era del grafene Applicazioni in molti settori: dall'energia ai computer superveloci Il futuro sarà l'era del grafene Formato da un piano di carbonio a forma esagonale, è il materiale più sottile del mondo Transistor a effetto tunnel basato su eterostrutture verticali di grafene (da Università di Manchester)Transistor a effetto tunnel basato su eterostrutture verticali di grafene (da Università di Manchester) MILANO - Nella classifica dei materiali più importanti per il futuro, il grafene si trova in pole position. Ha scalzato in maniera definitiva i superconduttori che negli anni Novanta hanno monopolizzato la ricerca del «materiale del futuro». Il motivo è semplice: il grafene ha tante di quelle «virtù» da trovare applicazione in molti settori, dall'energia ai computer. Già da subito. Sì, perché questo solido formato da un piano di carbonio a struttura esagonale è il materiale più sottile al mondo (lo spessore è di appena 0,3 nanometri) e può migliorare le prestazioni di molti prodotti esistenti sul mercato. Quali? I chip, per esempio. COMPUTER VELOCISSIMI - Uno studio pubblicato dalla rivista Science mostra come il grafene possa mandare in pensione il silicio dei processori. Grazie alla sua conducibilità il grafene ci permetterebbe di ottenere computer velocissimi, vere e proprie schegge nel calcolo informatico. Eppure si parla di transistor al carbonio da anni, senza giungere agli oggetti concreti. «Il grafene non è realmente un semiconduttore, per cui tutti i tentativi di farlo funzionare come il silicio sono falliti», spiega Marco Vittori Antisari , responsabile dell'unità tecnica di tecnologia dei materiali all'Enea presso il centro di Casaccia. Adesso, la musica è cambiata. IN SANDWICH - All'Università di Manchester, infatti, hanno scoperto che il sandwich di grafene è un perfetto semiconduttore. Ricetta: due strati di grafene al posto del pane. In mezzo uno strato di nitruro di boro, oppure di disolfuro di molibdeno, per companatico. «Nel sandwich di grafene si crea il 'gap di energia' che serve a trasformare il materiale in semiconduttore», sottolinea Vittori Antisari. «Qui, gli elettroni saltano da un piano di grafene all'altro, generando l'effetto tunnel, in senso perpendicolare alla base degli strati». Tra gli inventori del sandwich per chip ci sono i due Nobel 2010 per la fisica: Konstantin Novoselov e Andre Geim, che hanno ottenuto il premio da Stoccolma proprio per le scoperte sul grafene. «Hanno usato un'idea geniale che ci permette di fare un passo avanti», commenta l'esperto, «perché abbiamo già la tecnologia per integrare questo sistema in un dispositivo. Non è un vantaggio da poco. Non dimentichiamo che nel tempo sono stati sintetizzati tanti materiali brillanti che poi non sono stati impiegati perché non avevamo la tecnologia compatibile». ENERGIA - La struttura a sandwich apre nuove prospettive pure nel fotovoltaico. «Potrebbe migliorare l'efficienza dei pannelli», commenta Vittori Antisari. «Oggi è possibile catturare soltanto una piccola parte dello spettro solare». Oltre al sandwich, il grafene ha proprietà interessanti come monostrato oppure come doppio strato senza nulla in mezzo. Da monostrato si può usare come supermembrana: flessibile, resistente e difficile da rompere. In questa condizione è invisibile persino all'acqua, come dice la rivista Nature. Un metallo ricoperto con il monostrato si bagna normalmente. Se è idrofobo, rimane idrofobo. Se è idrorepellente, rimane idrorepellente. Allo stesso tempo è protetto da questa sorta di pellicola e non si ossida. I ricercatori pensano di usare il monostrato di grafene per ricoprire display sottili. Da doppio strato, invece, è un isolante. Più versatile di così... (Paola Caruso) Grafene  Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Come suggerisce la desinenza -ene del nome, gli atomi sono ibridati nella forma sp², e si dispongono quindi a formare esagoni con angoli di 120°. In presenza di imperfezioni (pentagoni o ettagoni invece degli esagoni), la struttura si deforma: quando ci sono 12 pentagoni, si ha un fullerene. La presenza di singoli pentagoni o ettagoni provoca invece increspature della superficie. Il grafene viene ottenuto in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite vengono trattati con una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico, e successivamente ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene con gruppi carbossilici ai bordi. Mediante trattamento con cloruro di tionile (SOCl2), queste molecole periferiche vengono trasformate in cloruri acilici (alogenuri acilici composti da un acile e un atomo di cloro) e poi in ammidi. Il risultato è un cerchio di grafene solubile in tetraidrofurano, tetraclorometano e dicloroetano. Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004[1] sono valse il premio Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov dell'Università di Manchester. Nonostante i problemi iniziali riscontrati nell'applicabilità del grafene a singolo strato, i due fisici hanno evoluto il materiale fino alla costruzione del cosiddetto grafene a doppio strato, il quale garantisce più resistenza e applicabilità di utilizzo.[2] Nei laboratori dell'ITME (Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, in italiano: Istituto di Tecnologia per i Materiali Elettronici) presso l'Università di Varsavia sono studiati metodi di produzione del grafene a basso costo ed alta efficacia fin dal 2007. Questi studi hanno portato l'ateneo a diventare il detentore di numerosi brevetti che lo posizionano ai primi posti al mondo nella ricerca su questo nuovissimo materiale[3]. Il governo polacco sta attivamente sostenendo la ricerca sul grafene tramite il programma "Innowacyjna Gospodarka" (in italiano Economia Innovativa) che ha già portato al deposito di numerosi brevetti sul grafene prodotto secondo il metodo polacco[4]. Indice 1 Descrizione 2 Utilizzi 3 Note 4 Voci correlate 5 Altri progetti 6 Collegamenti esterni Descrizione Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture di tipo pentagonale o ettagonale costituiscono infatti dei difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha la formazione di un fullerene. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella. Quindi l'inserimento controllato di tali celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubi di carbonio a singola parete possono essere considerati come dei cilindri di grafene; talvolta alle estremità di questi nanotubi si possono trovare delle strutture emisferiche, costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo". La definizione ufficiale del grafene data dalla IUPAC è la seguente: 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. Il termine "strato di grafene" viene comunemente utilizzato all'interno della terminologia del carbonio.[5] Utilizzi Il grafene mostra delle ottime caratteristiche come conduttore, ed è oggetto di intensi programmi di studio al fine di utilizzarlo per la realizzazione di sistemi a semiconduttori. Nel 2010, un gruppo di ricerca della IBM è riuscito a realizzare un transistor al grafene con una frequenza di funzionamento massima di 100 GHz e lunghezza del gate di 240 nm; Nel 2011, sempre IBM è riuscita a realizzare un transistor dello stesso materiale con una frequenza di 155 GHz[6] e lunghezza del gate di 40 nm, sempre nel 2010 un altro test con il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor all’UCLA raggiungendo i 300 GHz. Analoghi transistor realizzati con tecnologie all'arseniuro di gallio hanno una frequenza massima di 40 GHz.[7] Note ^ UK, realizzato un transistor di grafite ^ Il grafene a doppio strato, la prossima rivoluzione scientifica? ^ Grafen z Polski - Nauka - polskieradio.pl ^ OPI – Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka / Aktualności ^ Boehm, H.P.; Setton, R. and Stumpp, E. (1994). Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds. Pure and Applied Chemistry 66. DOI:10.1351/pac199466091893. ^ IBM sperimenta un transistor in grafene da 155GHz. Business Magazine, 11 aprile 2011 ^ IBM: dimostrazione di un transistor in grafene da 100GHz. Hardware Upgrade, 8 febbraio 2010. URL consultato in data 9 febbraio 2010.