Grafene e grafite: come si confrontano?

"  Gli attributi del grafene - trasparenza, densità, conducibilità elettrica e termica, elasticità, flessibilità, resistenza alla durezza e capacità di generare reazioni chimiche con altre sostanze - ospitano il potenziale per scatenare una nuova rivoluzione tecnologica di proporzioni più magnifiche di quella introdotta dall'elettricità nel 19° secolo e l'ascesa di Internet negli anni '90.  "- LarrainVial

In termini molto elementari il grafene potrebbe essere descritto come un singolo strato spesso un atomo di grafite minerale comunemente disponibile; la grafite è essenzialmente costituita da centinaia di migliaia di strati di grafene.

In realtà, la composizione strutturale di grafite e grafene e il metodo di creazione l'una dall'altra è leggermente diversa.

Grafite

Quando eri a scuola, è molto probabile che ti saresti imbattuto nel termine "mina di matita", che si riferisce al nucleo centrale di una matita in grado di produrre segni su carta e altro materiale. Infatti, piuttosto che riferirsi all'elemento chimico e al metallo pesante, il piombo, questo nucleo centrale è più comunemente costituito da grafite mista ad argilla. L'errore è sorto quando la grafite è stata scoperta per la prima volta, a quel punto poiché è una forma di carbonio e contiene una composizione molecolare simile ad altri membri del gruppo carbonio (sebbene principalmente a causa delle somiglianze visive), si pensava fosse una forma di piombo.

La grafite è un minerale che si trova naturalmente nelle rocce metamorfiche in diversi continenti del mondo, tra cui Asia, Sud America e alcune parti del Nord America.

Si forma a seguito della riduzione dei composti di carbonio sedimentari durante il metamorfismo. Contrariamente alla credenza comune, i legami chimici nella grafite sono in realtà più forti di quelli che compongono il diamante. Tuttavia, ciò che definisce la differenza di durezza dei due composti è la struttura reticolare degli atomi di carbonio contenuti all'interno; diamanti contenenti legami reticolari tridimensionali e grafite contenente legami reticolari bidimensionali (strati di fogli di carbonio).

Mentre all'interno di ogni strato di grafite gli atomi di carbonio contengono legami molto forti, gli strati sono in grado di scorrere l'uno sull'altro, rendendo la grafite un materiale più morbido e malleabile.

Approfondite ricerche nel corso di centinaia di anni hanno dimostrato che la grafite è un minerale impressionante che mostra una serie di proprietà eccezionali e superlative tra cui la sua capacità di condurre in maniera eccellente l'elettricità e il calore, avendo la più alta rigidità e resistenza naturale anche a temperature superiori a 3600 gradi Celsius, ed è inoltre altamente resistente agli attacchi chimici ed è autolubrificante.

Tuttavia, sebbene sia stato identificato per la prima volta più di mille anni fa e nominato per la prima volta nel 1789, l'industria ha impiegato del tempo per realizzare il pieno potenziale di questo straordinario materiale.

La grafite è uno dei soli tre allotropi naturali del carbonio (gli altri sono carbonio amorfo e diamante). La differenza tra i tre allotropi presenti in natura è la struttura e il legame degli atomi all'interno degli allotropi; il diamante che gode di una struttura cristallina a reticolo di diamante, la grafite con una struttura a reticolo a nido d'ape e il carbonio amorfo (come il carbone o la fuliggine) non hanno una struttura cristallina.

Sebbene esistano molte forme diverse di carbonio, la grafite è di qualità estremamente elevata ed è la più stabile in condizioni standard. Pertanto, è comunemente usato in termochimica come stato standard per definire la formazione di calore di composti a base di carbonio. Si trova naturalmente in tre diverse forme: fiocco cristallino, amorfo e grafite a grumi o venature e, a seconda della sua forma, viene utilizzato per una serie di applicazioni diverse.

Come accennato in precedenza, la grafite ha una struttura planare e stratificata; ogni strato è costituito da atomi di carbonio collegati tra loro in un reticolo esagonale. Questi legami, o legami covalenti come sono tecnicamente più noti, sono estremamente forti e gli atomi di carbonio sono separati da soli 0,142 nanometri. Gli atomi di carbonio sono collegati tra loro da legami ibridati sp2 molto robusti in un unico strato di atomi, bidimensionalmente.

Ogni singolo strato bidimensionale di un atomo di atomi di carbonio legati sp2 in grafite è separato da 0,335 nm. Essenzialmente, la forma cristallina della grafite, come accennato in precedenza, è semplicemente costituita da centinaia di migliaia di singoli strati di atomi di carbonio collegati impilati insieme.

Grafene

Quindi, il grafene è fondamentalmente un singolo strato di grafite; uno strato di atomi di carbonio legati sp2 disposti in un reticolo a nido d'ape (esagonale). Tuttavia, il grafene offre alcune proprietà impressionanti che superano quelle della grafite poiché è isolato dal suo "materiale madre". La grafite è naturalmente un composto molto fragile e non può essere utilizzata come materiale strutturale da sola a causa dei suoi piani trasparenti (sebbene sia spesso usata per rinforzare l'acciaio).

Il grafene, d'altra parte, è il materiale più resistente mai registrato, più di trecento volte più resistente dell'acciaio strutturale A36, a 130 gigapascal e più di quaranta volte più resistente del diamante. A causa della struttura planare, le sue proprietà termiche, acustiche ed elettroniche sono altamente anisotrope, il che significa che i fononi viaggiano molto più facilmente "lungo" i piani di quanto non facciano quando tentano di viaggiare "attraverso" i piani. Il grafene, d'altra parte, essendo un singolo strato di atomi e avendo una mobilità elettronica molto elevata, offre fantastici livelli di conduzione elettronica grazie alla presenza di un elettrone pi (π) libero per ogni atomo di carbonio.

Tuttavia, per realizzare questo alto livello di conducibilità elettronica, deve avvenire il drogaggio (con elettroni o lacune) per superare la densità zero degli stati che può essere osservata nei punti di Dirac del grafene. È stato spiegato che l'elevato livello di conduttività elettronica è dovuto alla presenza di quasiparticelle; elettroni che agiscono come se non avessero massa, proprio come i fotoni, e possono viaggiare per distanze relativamente lunghe senza dispersione (questi elettroni sono quindi noti come fermioni di Dirac privi di massa).

Creare o isolare il Grafene

Esistono diversi modi in cui gli scienziati sono in grado di produrre grafene. Il primo modo efficace per produrre grafene monostrato e pochi strati era l'esfoliazione meccanica (la tecnica del nastro adesivo). Tuttavia, molti istituti di ricerca in tutto il mondo stanno attualmente lottando per trovare il modo migliore, più efficiente ed efficace per produrre grafene di alta qualità su larga scala, che sia anche conveniente e scalabile . Il modo più comune per gli scienziati di creare grafene monostrato o pochi strati è con un metodo noto come deposizione chimica da vapore (CVD).

Questo è un metodo che estrae gli atomi di carbonio da una fonte ricca di carbonio mediante riduzione. Il problema principale con questo metodo è trovare il substrato più adatto su cui far crescere gli strati di grafene e anche sviluppare un modo efficace per rimuovere gli strati di grafene dal substrato senza danneggiare o modificare la struttura atomica del grafene.

Altri metodi per creare grafene sono: crescita da una fonte di carbonio solido (utilizzando la termotecnica), sonicazione, taglio di nanotubi di carbonio aperti, riduzione dell'anidride carbonica e anche riduzione dell'ossido di grafite. Quest'ultimo metodo di utilizzo del calore (mediante microscopio a forza atomica o laser) per ridurre l'ossido di grafite a grafene ha ricevuto molta pubblicità negli ultimi tempi a causa del minimo costo di produzione. Tuttavia, la qualità del grafene prodotto attualmente è inferiore al potenziale teorico e richiederà inevitabilmente del tempo per perfezionarsi.