Grafene: proprietà e applicazioni

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale: il materiale più sottile possibile, spesso un solo atomo, eppure tra i più resistenti e i migliori conduttori che si conoscano. Isolato per la prima volta nel 2004 — risultato premiato col Nobel per la fisica nel 2010 — il grafene ha aperto l’era dei materiali bidimensionali.

Vediamo com’è fatto il grafene, da dove vengono la sua conducibilità e la sua resistenza, perché funziona così bene come barriera e quali sono le sue applicazioni e i suoi limiti.

Un solo strato di atomi

Il grafene è il «mattone» da cui sono fatti graffite e nanotubi: un foglio piano di atomi di carbonio legati in anelli esagonali, con distanze interatomiche di circa 0,142 nanometri. Nella grafite questi fogli sono impilati uno sull’altro, tenuti insieme solo da deboli forze di van der Waals (gli strati distano circa 0,335 nanometri) — ed è proprio per questo che la grafite si sfalda con facilità e funziona da lubrificante. Isolare un singolo foglio significa avere un materiale spesso un solo atomo: di fatto bidimensionale.

Conducibilità elettronica

Nel grafene tre dei quattro elettroni di valenza di ogni atomo di carbonio sono impegnati nei legami del piano, mentre il quarto è delocalizzato e libero di muoversi sul foglio. Questo «mare» di elettroni mobili rende il grafene un eccellente conduttore elettrico nel piano, con una mobilità degli elettroni eccezionalmente alta. La stessa anisotropia si osserva nella grafite, che conduce benissimo lungo i piani e malissimo perpendicolarmente.

3 elettroni nel piano (legami) + 1 elettrone delocalizzato  →  alta conducibilità nel piano

Resistenza e conducibilità termica

Gli stessi forti legami covalenti che danno conducibilità danno anche una resistenza meccanica straordinaria: il grafene è tra i materiali più resistenti mai misurati, pur essendo leggerissimo. Conduce inoltre il calore in modo eccezionale lungo il piano. È utile ricordare il contrasto con la grafite massiva, che ha invece una resistenza alla trazione bassa (poche decine di megapascal) proprio perché i fogli scivolano l’uno sull’altro: la forza è tutta nel singolo strato, non nell’impilamento.

Una barriera impenetrabile

Una proprietà meno intuitiva ma molto utile è che il grafene è praticamente impermeabile: il suo reticolo esagonale è così fitto che nemmeno gli atomi più piccoli, come l’elio, riescono ad attraversarlo. Questo lo rende interessante come barriera ultrasottile contro gas e umidità, per esempio in rivestimenti protettivi e in imballaggi avanzati. Un singolo strato atomico che blocca i gas è qualcosa che nessun materiale convenzionale può offrire.

Applicazioni e limiti

Le applicazioni del grafene spaziano da elettrodi trasparenti e flessibili, a sensori, a rivestimenti barriera, ad additivi conduttivi e di rinforzo nei compositi. Resta però un materiale giovane: produrre grafene di alta qualità, esteso e privo di difetti, in quantità industriali e a costo contenuto, è ancora difficile. Per questo molte applicazioni «di massa» usano forme più economiche e meno perfette (scaglie, ossido di grafene ridotto) anziché il foglio ideale dei laboratori.

Perché conta nella pratica

Il grafene è il prototipo dei materiali bidimensionali e capirlo aiuta a leggere correttamente le tante promesse — e i tanti annunci — che lo riguardano. Saper distinguere le proprietà reali del foglio ideale dai limiti di produzione, e conoscere le differenze tra grafene di laboratorio e forme commerciali economiche, è essenziale per valutare prodotti e materiali che oggi dichiarano di «contenere grafene». È anche la base per comprendere nanotubi e altri nanomateriali carboniosi, da cui il grafene è strutturalmente imparentato.

Domande frequenti

Che cos’è il grafene?

È un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, spesso un solo atomo e quindi di fatto bidimensionale. È il foglio di base da cui sono costruite la grafite (fogli impilati) e i nanotubi (fogli arrotolati). Combina altissima conducibilità elettrica e termica con una resistenza meccanica eccezionale e una leggerezza estrema.

Perché il grafene conduce così bene l’elettricità?

Perché tre dei quattro elettroni di valenza di ogni atomo di carbonio sono impegnati nei legami del piano, mentre il quarto è delocalizzato e libero di muoversi sull’intero foglio. Questo mare di elettroni mobili gli dà una conducibilità e una mobilità degli elettroni eccezionalmente alte nel piano del reticolo.

Perché il grafene è più resistente della grafite?

Perché la resistenza è tutta nel singolo foglio, tenuto insieme da forti legami covalenti. Nella grafite i fogli sono impilati e tenuti insieme solo da deboli forze di van der Waals, così scivolano l’uno sull’altro e il materiale si sfalda facilmente, con una resistenza alla trazione bassa. Isolare un foglio significa sfruttare appieno la forza dei legami nel piano.

Perché si dice che il grafene è impermeabile?

Perché il suo reticolo esagonale è talmente fitto che nemmeno gli atomi più piccoli, come l’elio, riescono ad attraversarlo. Questo rende un singolo strato atomico una barriera quasi perfetta contro gas e umidità, una proprietà sfruttabile in rivestimenti protettivi e imballaggi avanzati, impossibile da ottenere con materiali convenzionali di pari sottigliezza.

Perché il grafene non è ancora diffuso ovunque?

Perché produrre grafene di alta qualità, esteso e privo di difetti in quantità industriali e a costo contenuto è ancora difficile. Le forme commerciali più economiche (scaglie, ossido di grafene ridotto) sono meno perfette del foglio ideale dei laboratori e offrono prestazioni inferiori. Il divario tra potenziale e produzione su larga scala è il principale freno alla sua diffusione.