Il Grafene: che cos'è?

Il grafene è un singolo strato (monostrato) di atomi di carbonio, strettamente legato in un reticolo esagonale a nido d'ape. È un allotropo del carbonio sotto forma di un piano di atomi legati a sp2 con una lunghezza del legame molecolare di 0,142 nanometri. Strati di grafene impilati uno sopra l'altro formano la grafite, con una spaziatura interplanare di 0,335 nanometri.

Gli strati separati di grafene nella grafite sono tenuti insieme dalle forze di van der Waals, che possono essere superate durante l'esfoliazione del grafene dalla grafite. Il grafene è il composto più sottile noto all'uomo con uno spessore di un atomo, il materiale più leggero conosciuto (con 1 metro quadrato del peso di circa 0,77 milligrammi), il composto più forte scoperto (tra 100-300 volte più resistente dell'acciaio con una resistenza alla trazione di 130 GPa e un Modulo di Young di 1 TPa - 150.000.000 psi), il miglior conduttore di calore a temperatura ambiente (da (4,84 ± 0,44) × 103 a (5,30 ± 0,48) × 103 W/(mK) ) e anche il miglior conduttore di elettricità conosciuto (studi hanno dimostrato la mobilità degli elettroni a valori superiori a 200.000 cm2/(Vs)).

Altre proprietà notevoli del grafene sono il suo assorbimento uniforme della luce attraverso le parti visibili e nel vicino infrarosso dello spettro(πα ≈ 2,3%) e la sua potenziale idoneità per l'uso nel trasporto di spin. Tenendo presente questo, si potrebbe essere sorpresi di sapere che il carbonio è la seconda massa più abbondante all'interno del corpo umano e il quarto elemento più abbondante nell'universo (in massa), dopo l'idrogeno, l'elio e l'ossigeno. Ciò rende il carbonio la base chimica di tutta la vita conosciuta sulla terra, rendendo il grafene potenzialmente una soluzione ecologica e sostenibile per un numero quasi illimitato di applicazioni.

Dalla scoperta (o più precisamente dall'ottenimento meccanico) del grafene, le applicazioni all'interno di diverse discipline scientifiche sono esplose, con enormi vantaggi in particolare nell'elettronica ad alta frequenza, sensori bio, chimici e magnetici, fotorilevatori a banda ultra larga e generazione di energia e accumulo.

Sfide della produzione di Grafene

Inizialmente, l'unico metodo per produrre grafene su vasta area era un processo molto costoso e complesso (di deposizione chimica da vapore, CVD) che prevedeva l'uso di sostanze chimiche tossiche per far crescere il grafene come monostrato esponendo platino, nichel o carburo di titanio all'etilene o benzene ad alte temperature. Non c'erano alternative per utilizzare l'epitassia cristallina su qualcosa di diverso da un substrato metallico.

Questi problemi di produzione hanno reso il grafene inizialmente non disponibile per la ricerca sullo sviluppo e per usi commerciali. Inoltre, l'utilizzo del grafene CVD in elettronica è stato ostacolato dalla difficoltà di rimuovere gli strati di grafene dal substrato metallico senza danneggiare il grafene. Tuttavia, studi nel 2012 hanno rilevato che analizzando l'energia adesiva interfacciale del grafene, è possibile separare efficacemente il grafene dal substrato metallico su cui è cresciuto, potendo anche riutilizzare il substrato per applicazioni future teoricamente un numero infinito di volte, quindi riducendo i rifiuti tossici precedentemente creati in questo processo. Inoltre, la qualità del grafene che è stato separato utilizzando questo metodo era sufficientemente alta per creare dispositivi elettronici molecolari.

La ricerca sulla crescita del grafene CVD è progredita da allora a passi da gigante, rendendo la qualità del grafene un problema irrilevante per l'adozione tecnologica, che ora è governata dal costo del substrato metallico sottostante. Tuttavia, la ricerca è ancora in corso per produrre costantemente grafene su substrati personalizzati con controllo su impurità come increspature, livelli di drogaggio e dimensione del dominio, controllando anche il numero e il relativo orientamento cristallografico degli strati di grafene.

Applicazioni

Guidare la ricerca sul grafene verso applicazioni industriali richiede sforzi coordinati, come il progetto Graphene Flagship dell'UE da un miliardo di euro. Dopo la prima fase che è durata diversi anni, i ricercatori Flagship hanno prodotto una raffinata roadmap delle applicazioni del grafene, che individua le aree di applicazione più promettenti: compositi, energia, telecomunicazioni, elettronica, sensori e imaging e tecnologie biomediche.

Essere in grado di creare supercondensatori con il grafene sarà probabilmente il più grande passo nell'ingegneria elettronica da molto tempo. Sebbene lo sviluppo di componenti elettronici sia progredito a un ritmo molto elevato negli ultimi 20 anni, le soluzioni di accumulo di energia come batterie e condensatori sono state il principale fattore limitante a causa di dimensioni, capacità di alimentazione ed efficienza (la maggior parte dei tipi di batterie sono molto inefficienti e i condensatori lo sono ancora meno). Ad esempio, le batterie agli ioni di litio devono affrontare un compromesso tra densità di energia e densità di potenza.

Nei test iniziali effettuati, i supercondensatori realizzati con tecnica laser-scribed graphene (LSG) hanno dimostrato una densità di potenza paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio ad alta potenza che sono in uso oggi. Non solo, ma anche i supercondensatori LSG sono altamente flessibili, leggeri, veloci da caricare, sottili e, come accennato in precedenza, relativamente poco costosi da produrre. "Le possibilità di ciò che possiamo ottenere con i materiali e le conoscenze che abbiamo, sono state spalancate" Il grafene viene utilizzato anche per aumentare non solo la capacità e la velocità di carica delle batterie, ma anche la longevità.

Attualmente, mentre materiali come il litio sono in grado di immagazzinare grandi quantità di energia, tale quantità potenziale diminuisce a ogni carica o ricarica a causa dell'usura degli elettrodi. Con l'ossido di grafene e stagno come anodo nelle batterie agli ioni di litio, ad esempio, le batterie durano molto più a lungo tra una carica e l'altra (la capacità potenziale è aumentata di un fattore 10) e con quasi nessuna riduzione della capacità di stoccaggio tra le cariche, rendendo effettivamente la tecnologia come quella alimentata elettronicamente veicoli una soluzione di trasporto molto più praticabile in futuro.

Ciò significa che le batterie (o condensatori) possono essere sviluppate per durare molto più a lungo e con capacità superiori rispetto a quanto realizzato in precedenza. Inoltre, significa che i dispositivi elettronici possono essere caricati in pochi secondi, I ricercatori del Graphene Flagship stanno anche esaminando i modi in cui il grafene può essere utilizzato per migliorare la generazione di energia, compreso il miglioramento delle celle solari di perovskite (PSC), fonti di energia solare di prossima generazione altamente promettenti con altissima efficienza. I ricercatori del programma Flagship hanno compiuto eccellenti progressi nel migliorare la durata e le prestazioni delle PSC, riducendo al contempo i costi di produzione delle PSC.

L'aggiunta di uno strato distanziatore di ossido di grafene ridotto a una PSC ha portato a una produzione a basso costo di PSC con un'efficienza del 20%, mantenuta fino al 95% dopo 1000 ore di funzionamento. Una linea di produzione pilota e un parco solare in grafene-perovskite da 1 kW sono in cantiere per il prossimo periodo. L'utilizzo del grafene nell'accumulo di energia è in particolare studiato attraverso l'uso del grafene negli elettrodi avanzati.

La combinazione di nanoparticelle di grafene e silicio ha prodotto anodi che mantengono il 92% della loro capacità energetica su 300 cicli di carica-scarica, con un'elevata capacità massima di 1500 mAh per grammo di silicio. I valori di densità energetica raggiunti sono ben superiori a 400 Wh/kg. Nella prossima fase Flagship, un progetto Spearhead si concentrerà sulla produzione preindustriale di una batteria agli ioni di litio a base di grafene e silicio. Inoltre, è stato sviluppato uno strumento di deposizione del rivestimento a spruzzo per grafene, consentendo la produzione su larga scala di film sottili di grafene che sono stati utilizzati, ad esempio, per produrre supercondensatori con densità di potenza molto elevate.

Un altro uso del grafene lungo linee simili a quelle menzionate in precedenza è quello nella pittura. Il grafene è altamente inerte e quindi può fungere da barriera contro la corrosione tra l'ossigeno e la diffusione dell'acqua. Ciò potrebbe significare che i veicoli futuri potrebbero essere realizzati per essere resistenti alla corrosione poiché il grafene può essere fatto crescere su qualsiasi superficie metallica (date le giuste condizioni).

Grazie alla sua forza, anche il grafene è attualmente in fase di sviluppo come potenziale sostituto del Kevlar negli indumenti protettivi, e alla fine sarà visto nella produzione di veicoli e forse anche usato come materiale da costruzione. Il grafene è stato a lungo considerato un materiale candidato ideale per l'elettronica flessibile in radiofrequenza (RF).

Le applicazioni in radiofrequenza e persino ai terahertz vengono costantemente realizzate, con un ricevitore a microonde dimostrato per segnali fino a 2,45 GHz, un rilevatore THz flessibile e una dimostrazione del raffreddamento efficiente di dispositivi nanoelettronici basati su grafene che utilizzano il raffreddamento a fononi. La natura flessibile del grafene consente vari dispositivi elettronici su substrati flessibili, come ad esempio supercondensatori a base di grafene a stato solido completamente flessibili, touch panel indossabili, sensori di deformazione e sensori triboelettrici autoalimentati, tutti recentemente dimostrati, con applicazioni ad esempio dispositivi touchscreen flessibili e robusti come dispositivi mobili e orologi da polso all'orizzonte.

Oltre a queste applicazioni a breve termine, ci si potrebbe aspettare televisori e telefoni pieghevoli e, infine, giornali elettronici flessibili contenenti pubblicazioni di interesse che possono essere aggiornate tramite trasferimento dati wireless.

Essendo estremamente trasparente, il grafene dovrebbe essere un componente delle finestre intelligenti (ed estremamente durevoli) nelle case, con tende (potenzialmente) virtuali o capacità di visualizzazione dei contenuti. La comunicazione ottica ha costituito la spina dorsale dell'era di Internet e dovrebbe essere altrettanto fondamentale per le reti 5G in via di sviluppo. Le comunicazioni moderne si basano su collegamenti ottici che trasmettono informazioni alla velocità della luce e su circuiti come fotorilevatori e modulatori che sono in grado di codificare una grande quantità di informazioni su questi fasci di luce. Sebbene il silicio sia il materiale di scelta per le guide d'onda fotoniche sui chip ottici, i fotorilevatori sono realizzati con altri semiconduttori come GaAs, InP o GaN, poiché il silicio è trasparente alle lunghezze d'onda di telecomunicazione standard.

L'integrazione di questi altri semiconduttori con il silicio è difficile, complicando i processi di fabbricazione e aumentando le spese. Inoltre, la gestione termica sta diventando un problema poiché i dispositivi fotonici continuano a ridursi mentre utilizzano più energia. Il grafene è un materiale promettente per i fotorilevatori di telecomunicazioni, perché assorbe la luce su un'ampia larghezza di banda, comprese le lunghezze d'onda di telecomunicazione standard. È anche compatibile con la tecnologia CMOS , il che significa che può essere integrato tecnologicamente con la fotonica del silicio. Inoltre, il grafene è un eccellente conduttore di calore, promettendo una riduzione del consumo di calore dei dispositivi fotonici a base di grafene. Per questi motivi, il grafene per le comunicazioni ottiche è stato un intenso campo di ricerca, che ora sta ottenendo i suoi frutti in prototipi pienamente funzionanti.

Nel 2016, la larghezza di banda dei fotorilevatori al grafene ha raggiunto i 65 GHz , utilizzando giunzioni pn grafene/silicio con potenziali bit rate di ~ 90 Gbit/s. Già nel 2017, i fotorilevatori al grafene con una larghezza di banda superiore a 75 GHz sono stati fabbricati in una linea di processo wafer da 6 pollici. Questi dispositivi da record sono stati presentati al Mobile World Congress di Barcellona nel 2018, dove i visitatori hanno potuto sperimentare il primo collegamento di comunicazione ottica interamente in grafene operante a una velocità dati di 25 Gbit/s per canale. In questa dimostrazione, tutte le operazioni elettro-ottiche attive sono state eseguite su dispositivi in grafene. Un modulatore di grafene ha elaborato i dati sul lato trasmettitore della rete, codificando un flusso di dati elettronici in un segnale ottico. Sul lato ricevitore, un fotorilevatore al grafene ha fatto il contrario, convertendo la modulazione ottica in un segnale elettronico. I dispositivi sono stati realizzati con grafene Graphenea CVD e presentati al Graphene Pavilion.

Il grafene prodotto con la deposizione chimica da vapore (CVD) costituirà la pietra angolare dei futuri sensori chimici, biologici e di altro tipo basati sul grafene. La natura 2D del materiale offre vantaggi intrinseci per le applicazioni di rilevamento, poiché l'intero volume del materiale funge da superficie di rilevamento. Inoltre, il grafene fornisce un'eccellente resistenza meccanica, conduttività termica ed elettrica, compattezza e un costo potenzialmente basso, che è necessario per competere sull’affollato mercato dei sensori. I sensori di gas / vapore a base di grafene hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni a causa della loro varietà di strutture, prestazioni di rilevamento uniche, condizioni di lavoro a temperatura ambiente e straordinarie prospettive di applicazione.

Oltre al vapore acqueo, il grafene è stato utilizzato per rilevare gas come NH 3 , NO 2 , H 2 , CO, SO 2 , H 2 S, nonché vapore di composti organici volatili, con conseguente aumento drammatico del numero di pubblicazioni scientifiche su questo argomento. Il grafene è stato anche utilizzato per rilevare tracce di oppioidi in concentrazioni fino a 10 picogrammi per millilitro di liquido. Questa moltitudine di proprietà favorevoli ha portato a una vasta gamma di indagini sull'uso del grafene per i biosensori. Configurazioni particolarmente interessanti sono i transistor a effetto di campo (GFET) al grafene e la risonanza plasmonica superficiale potenziata con grafene (SPR). Questi tipi di sensori di grafene sono stati utilizzati per il rilevamento di DNA, proteine, glucosio e batteri.

Utilizzando GFET, sono stati prodotti biosensori con un limite di rilevamento di 10 pg/mL per le molecole di oppioidi. Il grafene è anche una tecnologia abilitante per sensori di campo magnetico innovativi e flessibili. Il mercato dei sensori di campo magnetico è in espansione, con stime di dimensioni fino a 4,16 miliardi di dollari nel 2022.

I molteplici scopi dei sensori di campo magnetico come il rilevamento della posizione, il monitoraggio della corrente, il rilevamento della velocità e il rilevamento angolare consentono l'accesso a una vasta gamma di settori come quello automobilistico, dell'elettronica di consumo, della sanità e della difesa. Un tipo di sensore magnetico più comune utilizza l'effetto Hall, la produzione di una differenza di potenziale attraverso un conduttore elettrico quando viene applicato un campo magnetico. Il fattore chiave per determinare la sensibilità dei sensori ad effetto Hall è l'elevata mobilità degli elettroni. In quanto tale, il grafene è un materiale molto interessante per questa applicazione, con mobilità del portatore misurata superiore a 200.000 cm2/(Vs). I sensori di grafene Hall con sensibilità correlata alla corrente fino a 5700 V/AT e sensibilità correlata alla tensione fino a 3 V/VT sono stati dimostrati in grafene incapsulato in nitruro di boro.

Tali prestazioni superano i sensori all'avanguardia in silicio e Hall III / V, con una risoluzione magnetica di appena 50 nT/√Hz. L'attuale limite pratico per la sensibilità dei dispositivi Hall in grafene sui wafer standard del settore è di circa ~ 3000 V/AT. Per fare un confronto, i sensori Hall all'avanguardia realizzati con materiali compatibili con CMOS tradizionali hanno una sensibilità dell'ordine di ~ 100 V/AT. Anche i sensori flessibili di Hall in grafene , prodotti su nastro Kapton, raggiungono sensibilità simili ai sensori di Hall in silicio rigido.

Combinando alcuni di questi potenziali usi sopra menzionati, si possono immaginare applicazioni visionarie come i sistemi di sicurezza per auto che sono collegati alla vernice del veicolo - non solo un allarme per auto sarebbe in grado di dire se qualcuno sta toccando il veicolo, ma sarebbe in grado di farlo. registrare tali informazioni e inviarle allo smartphone del proprietario in tempo reale. Tale "vernice intelligente" potrebbe anche essere utilizzata per analizzare gli incidenti automobilistici per determinare le zone di contatto iniziali e la conseguente dispersione di energia conseguente. Il mercato vedrà presto indumenti contenenti celle fotovoltaiche e supercondensatori potenziati con grafene, il che significa che saremo in grado di caricare i nostri telefoni cellulari e tablet in pochi minuti (potenzialmente anche secondi) mentre andiamo a scuola o al lavoro.

Potremmo persino vedere indumenti orientati alla sicurezza che offrono protezione contro il contatto indesiderato con l'uso di scariche elettriche. Cambio di marcia In sintesi, questa scoperta di un professore di fisica e del suo dottorando in un laboratorio a Manchester, dove hanno usato un pezzo di grafite e un po’ di nastro scozzese, ha completamente rivoluzionato il modo in cui guardiamo ai potenziali limiti delle nostre capacità di scienziati, ingegneri e inventori. Le possibilità di ciò che possiamo ottenere con i materiali e le conoscenze che abbiamo, sono state spalancate, ed è ora concepibile immaginare situazioni prospettiche così sorprendenti come computer fulminei, ma super-piccoli, mantelli dell'invisibilità, smartphone che durano settimane tra cariche e computer che possiamo ripiegare e portare in tasca ovunque andiamo.