Le applicazioni e gli usi del grafene

Il grafene, l'allotropo del carbonio bidimensionale ben pubblicizzato e ora famoso, è un materiale versatile come qualsiasi altro scoperto sulla Terra. Le sue straordinarie proprietà di materiale più leggero e resistente, rispetto alla sua capacità di condurre calore ed elettricità meglio di qualsiasi altra cosa, significano che può essere integrato in un enorme numero di applicazioni.

Inizialmente questo significherà che il grafene viene utilizzato per aiutare a migliorare le prestazioni e l'efficienza dei materiali e delle sostanze attuali, ma in futuro sarà anche sviluppato in combinazione con altri cristalli bidimensionali (2D) per creare alcuni composti ancora più sorprendenti per adattarsi a una gamma ancora più ampia di applicazioni.

Per comprendere le potenziali applicazioni del grafene, è necessario prima acquisire una comprensione delle proprietà di base del materiale. La prima volta che il grafene è stato prodotto artificialmente; gli scienziati hanno letteralmente preso un pezzo di grafite e lo hanno sezionato strato dopo strato fino a quando è rimasto solo 1 singolo strato. Questo processo è noto come esfoliazione meccanica.

Questo monostrato di grafite risultante (noto come grafene), ha uno spessore di solo 1 atomo ed è quindi il materiale più sottile possibile da creare senza diventare instabile quando è esposto agli elementi (temperatura, aria, ecc.). Poiché il grafene ha uno spessore di solo 1 atomo, è possibile creare altri materiali interponendo gli strati di grafene con altri composti (ad esempio, uno strato di grafene, uno strato di un altro composto, seguito da un altro strato di grafene e così via), utilizzando efficacemente il grafene come impalcatura atomica per progettare altri materiali.

Questi nuovi composti potrebbero anche essere materiali superlativi, proprio come il grafene, ma potenzialmente con ancora più applicazioni.

Materiali 2D

Dopo lo sviluppo del grafene e la scoperta delle sue eccezionali proprietà, non sorprende che l'interesse per altri cristalli bidimensionali sia notevolmente aumentato. Questi altri cristalli 2D (come il nitruro di boro, il diseleniuro di niobio e il solfuro di tantalio (IV)) possono essere utilizzati in combinazione con altri cristalli 2D per un numero quasi illimitato di applicazioni. Quindi, ad esempio, se si prende il composto Diboruro di magnesio (MgB2), che è noto come un superconduttore relativamente efficiente, quindi si intervallano i suoi strati atomici di boro e magnesio alternati con singoli strati di grafene, migliora la sua efficienza come superconduttore.

Oppure, un altro esempio sarebbe il caso della combinazione del minerale molibdenite (MoS2), che può essere utilizzato come semiconduttore. L'unico problema con il grafene è che quello di alta qualità è un ottimo conduttore che non ha una band gap (non può essere spento). Pertanto, per utilizzare il grafene nella creazione di futuri dispositivi nanoelettronici, sarà necessario ingegnerizzare una band gap che, a sua volta, ridurrà la sua mobilità elettronica a quella dei livelli attualmente osservati nei "strained silicon film".

Ciò significa essenzialmente che la ricerca e lo sviluppo futuri devono essere svolti affinché il grafene possa sostituire il silicio nei sistemi elettrici del futuro. Tuttavia, recentemente alcuni gruppi di ricerca hanno dimostrato che non solo questo è possibile, è probabile, e stiamo guardando a mesi, piuttosto che ad anni, prima che questo sia raggiunto almeno a livello di base. Alcuni dicono che questo tipo di studi dovrebbe essere evitato, tuttavia, poiché è simile a cambiare il grafene per essere qualcosa che non lo è.

In ogni caso, questi due esempi sono solo la punta dell'iceberg in un solo campo di ricerca, mentre il grafene è un materiale che può essere utilizzato in numerose discipline tra cui, ma non solo: bioingegneria, materiali compositi, tecnologia energetica e nanotecnologia.

Applicazioni di Bioingegneria

La bioingegneria sarà sicuramente un campo in cui il grafene diventerà una parte vitale in futuro; sebbene alcuni ostacoli debbano essere superati prima di poter essere utilizzato. Le stime attuali suggeriscono che il grafene sarà ampiamente utilizzato non prima del 2030, quando inizieremo a vederlo nelle applicazioni biologiche, questo tempo è richiesto sostanzialmente poiché dobbiamo ancora comprenderne la biocompatibilità (e deve essere sottoposto a numerosi studi di sicurezza, clinici e normativi che, in poche parole, richiederanno un molto tempo).

Tuttavia, le proprietà che il grafene mostra suggeriscono potenziali rivoluzioni in quest'area, e in diversi modi. Con il grafene che offre un'ampia superficie, un'elevata conduttività elettrica, sottigliezza e resistenza, sarebbe un buon candidato per lo sviluppo di dispositivi sensoriali bioelettrici veloci ed efficienti, con la capacità di monitorare cose parametri come i livelli di glucosio, i livelli di emoglobina, il colesterolo e persino il sequenziamento del DNA.

Alla fine potremmo persino vedere grafene "tossico" ingegnerizzato che può essere utilizzato come trattamento antibiotico o addirittura antitumorale. Inoltre, grazie alla sua composizione molecolare e alla potenziale biocompatibilità, potrebbe essere utilizzato nel processo di rigenerazione dei tessuti.

Elettronica Ottica

Un settore particolare in cui inizieremo presto a vedere il grafene utilizzato su scala commerciale è quello nell'optoelettronica; in particolare touchscreen, display a cristalli liquidi (LCD) e diodi organici a emissione di luce (OLED).

Affinché un materiale possa essere utilizzato in applicazioni optoelettroniche, deve essere in grado di trasmettere più del 90% della luce e offrire anche proprietà conduttive elettriche superiori a 1 x 106 Ωm e quindi bassa resistenza elettrica.

Il grafene è un materiale quasi completamente trasparente ed è in grado di trasmettere otticamente fino al 97,7% della luce. È anche altamente conduttivo, come abbiamo accennato in precedenza e quindi funzionerebbe molto bene in applicazioni optoelettroniche come touchscreen LCD per smartphone, tablet e computer desktop e televisori.

Attualmente il materiale più utilizzato è l'ossido di indio stagno (ITO) e lo sviluppo della produzione di ITO negli ultimi decenni ha portato a un materiale che è in grado di funzionare molto bene in questa applicazione. Tuttavia, test recenti hanno dimostrato che il grafene è potenzialmente in grado di eguagliare le proprietà di ITO, anche nella corrente (parametro attualmente trascurato).

Inoltre, è stato recentemente dimostrato che l'assorbimento ottico del grafene può essere modificato regolando il livello di Fermi. Sebbene questo non sembri un gran miglioramento rispetto all'ITO, il grafene mostra proprietà aggiuntive che possono consentire lo sviluppo di una tecnologia molto intelligente nell'optoelettronica sostituendo l'ITO con il grafene.

Il fatto che il grafene di alta qualità abbia una resistenza alla trazione molto elevata, In termini di potenziali applicazioni elettroniche del mondo reale, alla fine possiamo aspettarci di vedere dispositivi come e-paper a base di grafene con la capacità di visualizzare informazioni interattive e aggiornabili e dispositivi elettronici flessibili tra cui computer portatili e televisori.

Ultrafiltrazione

Un'altra proprietà straordinaria del grafene è che mentre consente all'acqua di attraversarlo, è quasi completamente impermeabile a liquidi e gas (anche molecole di elio relativamente piccole). Ciò significa che il grafene potrebbe essere utilizzato come mezzo di ultrafiltrazione per fungere da barriera tra due sostanze.

Il vantaggio dell'utilizzo del grafene è che ha uno spessore di solo 1 singolo atomo e può anche essere sviluppato come barriera che misura elettronicamente la deformazione e le pressioni tra le 2 sostanze (tra molte altre variabili). Un team di ricercatori della Columbia University è riuscito a creare filtri di grafene monostrato con dimensioni dei pori di appena 5 nm (attualmente, le membrane nanoporose avanzate hanno dimensioni dei pori di 30-40 nm). Sebbene queste dimensioni dei pori siano estremamente piccole, poiché il grafene è così sottile, la pressione durante l'ultrafiltrazione è ridotta. Attualmente, il grafene è molto più forte e meno fragile dell'ossido di alluminio (attualmente utilizzato nelle applicazioni di filtrazione sotto i 100 nm). Cosa significa questo? Ebbene, potrebbe significare che il grafene è sviluppato per essere utilizzato nei sistemi di filtrazione dell'acqua, nei sistemi di desalinizzazione e nella creazione di biocarburanti efficienti ed economicamente più sostenibili.

Materiali Compositi

Il grafene è forte, rigido e molto leggero. Attualmente, gli ingegneri aerospaziali stanno incorporando la fibra di carbonio nella produzione di aeromobili in quanto è anche molto resistente e leggera. Tuttavia, il grafene è molto più forte pur essendo anche molto più leggero. In definitiva, si prevede che il grafene venga utilizzato (probabilmente integrato nella plastica come la resina epossidica) per creare un materiale che può sostituire l'acciaio nella struttura degli aerei, migliorando l'efficienza del carburante, l'autonomia e riducendo il peso.

Grazie alla sua conduttività elettrica, potrebbe anche essere utilizzato per rivestire il materiale della superficie dell'aeromobile per prevenire danni elettrici derivanti da fulmini. In questo esempio, lo stesso rivestimento in grafene potrebbe essere utilizzato anche per misurare la velocità di deformazione, notificando al pilota qualsiasi cambiamento nei livelli di stress a cui sono sottoposte le ali dell'aereo.

Celle Fotovoltaiche

Offrendo livelli molto bassi di assorbimento della luce (intorno al 2,7% della luce bianca) e allo stesso tempo offrendo un'elevata mobilità degli elettroni, il grafene può essere utilizzato come alternativa al silicio o all'ITO nella produzione di celle fotovoltaiche.

Il silicio è attualmente ampiamente utilizzato nella produzione di celle fotovoltaiche, ma mentre le celle di silicio sono molto costose da produrre, le celle a base di grafene lo sono potenzialmente molto meno.

Quando materiali come il silicio trasformano la luce in elettricità, si produce un fotone per ogni elettrone prodotto, il che significa che molta energia potenziale viene persa sotto forma di calore. Una ricerca pubblicata di recente ha dimostrato che quando il grafene assorbe un fotone, in realtà genera più elettroni. Inoltre, mentre il silicio è in grado di generare elettricità da determinate bande di lunghezza d'onda della luce, il grafene è in grado di lavorare su tutte le lunghezze d'onda, il che significa che il grafene ha il potenziale per essere efficiente quanto, se non più efficiente, del silicio, dell'ITO o dell'arseniuro di gallio (anch'esso ampiamente utilizzato).

Essere flessibili e sottili significa che le celle fotovoltaiche a base di grafene potrebbero essere utilizzate nell'abbigliamento; per ricaricare il tuo telefono cellulare, o anche come schermi per finestre fotovoltaici montati in un secondo momento o tende per alimentare la tua casa.

Stoccaggio Di Energia

Un'area di ricerca molto studiata è lo stoccaggio dell'energia. Mentre tutte le aree dell'elettronica hanno progredito a un ritmo molto rapido negli ultimi decenni (in riferimento alla legge di Moore che afferma che il numero di transistor utilizzati nei circuiti elettronici raddoppierà ogni 2 anni), il problema è sempre stato quello di immagazzinare l'energia nelle batterie e nei condensatori quando non viene utilizzato.

Queste soluzioni di accumulo di energia si sono sviluppate a un ritmo molto più lento. Il problema è questo: una batteria può potenzialmente contenere molta energia, ma può richiedere molto tempo per caricarsi, un condensatore, d'altra parte, può essere caricato molto rapidamente, ma non può trattenere così tanta energia (relativamente parlando ).

Attualmente, gli scienziati stanno lavorando per migliorare le capacità delle batterie agli ioni di litio (incorporando il grafene come anodo) per offrire capacità di accumulo molto più elevate con una longevità e una velocità di carica molto più elevate. Inoltre, il grafene è in fase di studio e sviluppo per essere utilizzato nella produzione di supercondensatori in grado di essere caricati molto rapidamente, ma anche di immagazzinare una grande quantità di elettricità.

I micro-supercondensatori a base di grafene saranno probabilmente sviluppati per l'uso in applicazioni a basso consumo energetico come smartphone e dispositivi informatici portatili e potrebbero essere potenzialmente disponibili in commercio entro i prossimi 5-10 anni.

Le batterie agli ioni di litio potenziate con grafene potrebbero essere utilizzate in applicazioni di consumo energetico molto più elevato come i veicoli alimentati elettricamente, oppure possono essere utilizzate come le batterie agli ioni di litio ora, negli smartphone.