Proprietà del grafene

Il grafene è, fondamentalmente, un singolo strato atomico di grafite; un minerale abbondante che è un allotropo del carbonio costituito da atomi di carbonio molto strettamente legati organizzati in un reticolo esagonale. Ciò che rende il grafene così speciale è la sua ibridazione sp2 e lo spessore atomico molto sottile (di 0,345 nm).

Queste proprietà sono ciò che consente al grafene di battere così tanti record in termini di forza, elettricità e conduzione del calore (così come molti altri). Ora, esploriamo cosa rende il grafene così speciale, quali sono le sue proprietà intrinseche che lo separano da altre forme di carbonio e altri composti cristallini 2D. Caratteristiche Fondamentali Prima che il grafene monostrato fosse isolato nel 2004, si riteneva teoricamente che i composti bidimensionali non potessero esistere a causa dell'instabilità termica quando separati.

Tuttavia, una volta isolato il grafene, era chiaro che era effettivamente possibile e gli scienziati impiegarono un po’ di tempo per scoprire esattamente come. Dopo che i fogli di grafene sospesi sono stati studiati mediante microscopia elettronica a trasmissione (TEM), gli scienziati hanno ritenuto di aver scoperto che la ragione fosse dovuta a una leggera increspatura nel grafene, che modifica la struttura del materiale. Tuttavia, ricerche successive suggeriscono che in realtà è dovuto al fatto che i legami carbonio-carbonio nel grafene sono così piccoli e forti da impedire che le fluttuazioni termiche lo destabilizzino.

Proprietà Elettroniche

Una delle proprietà più utili del grafene è quella di essere un semimetallo a sovrapposizione zero (con sia lacune che elettroni come portatori di carica) con conducibilità elettrica molto elevata. Gli atomi di carbonio hanno un totale di 6 elettroni; 2 nell’orbita interna e 4 nell’orbita esterna. I 4 elettroni dell’orbita esterna in un singolo atomo di carbonio sono disponibili per il legame chimico, ma nel grafene ogni atomo è connesso ad altri 3 atomi di carbonio sul piano bidimensionale, lasciando 1 elettrone liberamente disponibile nella terza dimensione per la conduzione elettronica. Questi elettroni altamente mobili sono chiamati elettroni pi (π) e si trovano sopra e sotto il foglio di grafene. Questi orbitali pi si sovrappongono e aiutano a migliorare i legami carbonio-carbonio nel grafene.

Fondamentalmente, le proprietà elettroniche del grafene sono dettate dal legame e dall'anti-legame (le bande di valenza e di conduzione) di questi orbitali pi. La ricerca combinata degli ultimi 50 anni ha dimostrato che nel punto di Dirac nel grafene, gli elettroni e le lacune hanno massa effettiva pari a zero. Ciò si verifica perché la relazione energia - movimento (lo spettro delle eccitazioni) è lineare per le basse energie vicino ai 6 angoli individuali della zona di Brillouin.

Questi elettroni e lacune sono noti come fermioni di Dirac, o Graphinos, ei 6 angoli della zona di Brillouin sono noti come punti di Dirac. A causa della densità zero degli stati nei punti di Dirac, la conduttività elettronica è in realtà piuttosto bassa. Tuttavia, il livello di Fermi può essere modificato mediante drogaggio (con elettroni o lacune) per creare un materiale potenzialmente migliore nel condurre l'elettricità rispetto, ad esempio, al rame a temperatura ambiente.

I test hanno dimostrato che la mobilità elettronica del grafene è molto alta, con risultati precedentemente riportati superiori a 15.000 cm2/(Vs) e limiti teoricamente potenziali di 200.000 cm2/(Vs) (limitati dalla dispersione del grafene fotoni acustici). Si dice che gli elettroni del grafene agiscano in modo molto simile ai fotoni nella loro mobilità a causa della loro mancanza di massa. Questi portatori di carica sono in grado di viaggiare per distanze inferiori al micrometro senza dispersione; un fenomeno noto come trasporto balistico. Tuttavia, la qualità del grafene e del substrato utilizzato saranno i fattori limitanti. Con il biossido di silicio come substrato, ad esempio, la mobilità è potenzialmente limitata a 40.000 cm2/(Vs).

Resistenza Meccanica

Un'altra delle proprietà di spicco del grafene è la sua forza intrinseca. Grazie alla forza dei suoi legami di carbonio lunghi 0,142 nm, il grafene è il materiale più resistente mai scoperto, con una resistenza alla trazione finale di 130.000.000.000 Pascal (o 130 gigapascal), rispetto a 400.000.000 per l'acciaio strutturale A36, o 375.700.000 per Aramid (Kevlar) . Non solo il grafene è straordinariamente forte, ma è anche molto leggero a 0,77 milligrammi per metro quadrato (a scopo di confronto, 1 metro quadrato di carta è circa 1000 volte più pesante).

Si dice spesso che un singolo foglio di grafene (essendo spesso solo 1 atomo), di dimensioni sufficienti per coprire un intero campo di calcio, peserebbe meno di 1 grammo.

Ciò che lo rende particolarmente speciale è che il grafene presenta anche proprietà elastiche, essendo in grado di mantenere la sua dimensione iniziale dopo lo sforzo.

Nel 2007, sono stati effettuati test al microscopio a forza atomica (AFM) su fogli di grafene sospesi su cavità di biossido di silicio. Questi test hanno mostrato che i fogli di grafene (con spessori compresi tra 2 e 8 nm) avevano costanti elastiche nella regione di 1-5 N/m e un modulo di Young (diverso da quello della grafite tridimensionale) di 0,5 TPa.

Ancora una volta, queste cifre superlative si basano su prospettive teoriche che utilizzano grafene che è improbabile senza alcuna imperfezione e attualmente molto costoso e difficile da riprodurre artificialmente, sebbene le tecniche di produzione siano in costante miglioramento, riducendo in definitiva i costi e la complessità.

Proprietà Ottiche

La capacità del grafene di assorbire un ampio 2,3% di luce bianca, è anche una proprietà unica e interessante, soprattutto considerando che ha uno spessore di solo 1 atomo. Ciò è dovuto alle sue proprietà elettroniche di cui sopra; gli elettroni agiscono come portatori di carica privi di massa con mobilità molto elevata.

Alcuni anni fa, è stato dimostrato che la quantità di luce bianca assorbita si basa sulla costante di struttura fine, piuttosto che essere dettata dalle specifiche del materiale. L'aggiunta di un altro strato di grafene aumenta la quantità di luce bianca assorbita approssimativamente dello stesso valore (2,3%).

L'opacità del grafene di πα ≈ 2,3% equivale a un valore di conducibilità dinamica universale di G = e2/4h-tagliato (± 2-3%) (nota: h tagliato è la costante di Plank/2π)  sulla gamma di frequenze visibili. A causa di queste caratteristiche impressionanti, è stato osservato che una volta che l'intensità ottica raggiunge una certa soglia (nota come fluenza di saturazione) avviene l'assorbimento saturabile (la luce ad altissima intensità provoca una riduzione dell'assorbimento). Questa è una caratteristica importante per quanto riguarda il blocco della modalità dei laser a fibra.

A causa delle proprietà del grafene di assorbimento saturabile ultraveloce insensibile alla lunghezza d'onda, il blocco della modalità a banda intera è stato ottenuto utilizzando un "erbium-doped dissipative soliton fibre laser" in grado di ottenere una sintonizzazione della lunghezza d'onda fino a 30 nm.

In termini di quanto siamo lontani dalla comprensione delle vere proprietà del grafene, questa è solo la punta dell'iceberg. Prima che il grafene sia fortemente integrato nelle aree in cui crediamo possa eccellere, dobbiamo dedicare molto più tempo a capire cosa lo rende un materiale così straordinario.

Sfortunatamente, mentre abbiamo molta immaginazione nel proporre nuove idee per potenziali applicazioni e usi per il grafene, ci vuole tempo per apprezzare appieno come e cosa sia realmente il grafene al fine di sviluppare queste idee in realtà. Questa non è necessariamente una cosa negativa, tuttavia, in quanto ci dà l'opportunità di scoprire altri super-materiali precedentemente poco studiati o trascurati, come la famiglia di strutture cristalline 2D che è nata dal grafene.