SETTORE

APPLICAZIONI

NANO-ELETTRONICA

Il grafene, per le sue proprieta' elettriche, risulta essere un ottimo candidato in applicazioni riguardanti il settore dei computer quantistici super-veloci, di dimensioni molto piu' piccole rispetto a quelli oggi in uso.

I ricercatori sono gia' riusciti a produrre singoli transistor al grafene e semplici circuiti, capaci di funzionare a frequenze elevatissime, pari a centinaia di GHz. In particolare, nel 2010, un gruppo di ricerca della IBM ha realizzato un transistor al grafene con una frequenza di funzionamento massima di 100 Ghz e con una lunghezza del gate di 240 nm. Sempre nel 2010, l'UCLA (University of California, Los Angeles) ha raggiunto il record di velocita' di 300 Ghz per un transistor, in un test con il grafene.

Nel 2011, ancora IBM ha realizzato un transistor al grafene con una frequenza di 155 Ghz ed una lunghezza del gate di 40 nm.

E' importante sottolineare che la velocita' di un transistor e' valutata, in genere, sulla base della sua frequenza di commutazione. Un transistor che lavora in commutazione (on/off) si comporta da interruttore, percio' quando conduce e' paragonabile ad un interruttore chiuso, mentre se non conduce e' come se fosse un interruttore aperto.

Transistor al grafene

ELETTRONICA

1. Il grafene si puo' piegare ed allungare senza perdere le sue proprieta' elettriche, per questo motivo esso si e' rivelato ideale in applicazioni riguardanti la realizzazione di:

• dispositivi elettronici su plastica flessibili

• iPhones arrotolabili

• tablets pieghevoli

• televisori arrotolabili

• dispositivi elettronici “wearable”

Tutti questi dispositivi risultano decisamente irrealizzabili con la tecnologia basata sul silicio. Infatti, il silicio, attualmente usato in Elettronica, e' fragile e non adatto ad applicazioni in cui e' richiesta invece una flessibilita' del materiale.

Nell'era del grafene, quella dei materiali bidimensionali, i dispositivi elettronici “wearable” diventeranno “indossabili” nel senso piu' stretto della parola e potranno adattarsi perfettamente al nostro corpo. I telefoni cellulari, per esempio, potranno essere indossati come braccialetti e si potranno allungare e piegare a seconda delle necessita'.

Aspetto del silicio

Diversi colossi dell'Elettronica come IBM, Samsung, Sandisk, Xerox, Nokia, stanno investendo moltissimo nello sviluppo di nuovi prodotti basati sul garfene e si fanno gia' concorrenza nella realizzazione di numerosi brevetti.

2. Il grafene, per la sua elevata trasparenza ottica alla luce visibile, all'infrarosso ed ultravioletto, e per la sua alta conduttivita' elettrica, e' considerato un candidato perfetto per sostituire gli elettrodi di indio-stagno (ITO) con elettrodi conduttivi trasparenti, in applicazioni come:

• touch screen

• schermi a cristalli liquidi

• celle fotovoltaiche organiche

• display OLED (Organic Light Emitting Diode - Diodo Organico ad Emissione di Luce). Quando si parla di OLED ci si riferisce a display sottilissimi, in grado di produrre luce propria, contrariamente ai display a cristalli liquidi i quali richiedono una fonte di luce esterna.

Per lungo tempo, le compagnie elettroniche hanno cercato un materiale alternativo all'ITO, a causa del costo elevato dell'indio. Per questo motivo sono stati presi in considerazione i nanotubi di carbonio, ma con scarso successo; infatti, si e' osservato che essi tendono a formare piccoli difetti in aree visibili, denominate "dead pixel", se utilizzati in un display.

Sotto questo aspetto, un importante passo in avanti e' stato fatto da un gruppo di scienziati Coreani e Giapponesi, facenti parte del team guidato dai ricercatori Byung Hee Hong e Jong-Hyun Ahn della Sungkyunkwan University di Seoul. Gli scienziati sono riusciti a produrre pellicole di grafene mediante la deposizione di vapori chimici su un substrato flessibile di rame. I films di grafene, cosi' ottenuti, hanno forma rettangolare con una diagonale di 76 cm e presentano una resistenza elettrica superiore a quella degli elettrodi trasparenti attualmente disponibili in commercio e realizzati in ossido di stagno e indio (ITO). I films di grafene consentono il passaggio di circa il 90% della luce e quindi presentano una buona trasparenza. Il team ha utilizzato queste pellicole di grafene come elettrodi e li ha inseriti in un pannello touch-screen che ha rivelato prestazioni migliori di quelle ottenute con elettrodi ITO. Inoltre, e' stata registrata una resistenza allo stiramento piu' che raddoppiata rispetto a quella presentata da un elettrodo ITO. La notizia relativa alla produzione di films di grafene per elettrodi trasparenti e' stata pubblicata sulla rivista “Nature Nanotechnology”.

3. Il grafene e' un buon candidato per la realizzazione di batterie ad alta capacita'; infatti, questo materiale agisce come un condensatore capace di accumulare l'energia elettrica prodotta da celle solari.

Questi super-condensatori al grafene mostrano una densita' di energia specifica di 85,6 Wh/kg a temperatura ambiente e di 136 Wh/kg a 80°C, praticamente simile a quella delle batterie nichel-idruri metallici; il vantaggio consiste nel fatto che i super-condensatori al grafene possono essere riutilizzati un numero indefinito di volte e caricati e scaricati in maniera estremamente veloce.

VIDEOCOMUNICAZIONI

Il mondo delle video-comunicazioni vedra' il grafene come protagonista in applicazioni molto avanzate, come ad esempio:

• sistemi di navigazione satellitare integrati nel parabrezza dell'auto

• schermi televisivi incorporati nelle finestre.

SETTORE EDILIZIO

L'utilizzo del grafene e' rivolto a progetti basati su nuovi tipi di vetrate definite "intelligenti". Si tratta di vetrate in grado di oscurarsi a comando, oppure da utilizzare come dispositivi fotovoltaici per la produzione di energia elettrica dalla luce solare.

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GREEN TECNOLOGY

Il grafene, essendo un materiale resistentissimo ed allo stesso tempo leggerissimo, risulta adatto ad applicazioni riguardanti:

• l'industria aeronautica - in questo settore si potrebbero usare fogli sottilissimi di grafene per rivestire le ali degli aeroplani, in modo da proteggerle dai fulmini e da agenti esterni; oppure, i sottili fogli di grafene potrebbero essere impiegati per monitorare eventuali cedimenti dell'aeromobile. Un'altra possibilita' e' l'utilizzo del grafene come lubrificante. Infatti, se il grafene viene diluito con altri materiali, e' possibile ottenere una varieta' infinita di nuovi prodotti, detti compositi, che si possono presentare sia allo stato solido che allo stato liquido;

• la produzione di pale eoliche piu' efficienti, grazie alla leggerezza del materiale, unita al suo potere conduttore;

• la costruzione di pannelli solari interamente in carbonio, con la conseguente eliminazione definitiva dei metalli, molto difficili da smaltire;

la desalinizzazione efficiente dell'acqua marina, con un dispendio minimo di energia. Nelle simulazioni realizzate in questo tipo di applicazione, il grafene ha dimostrato di essere in grado di desalinizzare l'acqua marina con un metodo centinaia di volte piu' efficiente delle tradizionali tecniche di osmosi inversa e con costi decisamente piu' bassi. L'azienda ingegneristica aerospaziale Lockheed Martin ha gia' brevettato un progetto concreto a tal proposito; si tratta di grandi strati di grafene sotto forma di particolari fogli perforati, chiamati “perforene”. Uno strato di perforene trattiene praticamente il sale e lascia passare solo l'acqua;

Scopri di piu': A new approach to water desalination

• l'immagazzinamento ed il trasporto dell'idrogeno. La tecnica che viene applicata consiste nell'assorbimento e rilascio controllato dell'idrogeno sulla superficie di fogli sottilissimi di grafene, opportunamente corrugati e compressi;

Scopri di piu' con questo video: Grafene e idrogeno

• il rilevamento di inquinanti. In questo caso il grafene si comporta come un sensore estremamente sensibile; infatti, per la capacita' che ha questo materiale di adsorbire i gas, la sua resistenza cambia se solo una molecola viene adsorbita sulla sua superficie. Una tale variazione puo' essere rilevata grazie al bassissimo rumore di fondo, garantito dalla perfezione del reticolo cristallino del grafene, e grazie all'elevata conducibilita' elettrica del materiale.

SETTORI

AUTOMOBILISTICO

e

AEROSPAZIALE

La fibra di carbonio, attualmente utilizzata nei settori automobilistico ed aerospaziale potrebbe essere rimpiazzata con materiali elastici leggeri ed estremamente forti a base di grafene.

SPORT

Il grafene e' stato gia' applicato nella costruzione di sofisticate racchette da tennis:

Tale materiale viene utilizzato nella parte centrale del telaio della racchetta, per garantire, in questa zona, una diminuzione della massa e consentire la sua ridistribuzione nelle zone piu' strategiche, ossia sulla punta della racchetta e sul manico. L'equa distribuzione dei pesi tra punta e manico fornisce al tennista una migliore manovrabilita' e gli permette di effettuare meno sforzo nel colpire la pallina, ottenendo cosi' un notevole aumento della velocita' ad essa impressa.

La racchetta da tennis al grafene e' stata usata per la prima volta, con successo, da Novak Djokovic e Maria Sharapova all'Australian Open, edizione 2013.

SETTORE BIOMEDICO

L'ossido di grafene ha mostrato proprieta' battericide e potrebbe essere impiegato anche in prodotti per l'igiene e per la conservazione degli alimenti.

MEDICINA

• Sfruttando la capacita' presentata da alcune particolari molecole, sensibili a determinate malattie, di legarsi agli atomi di carbonio, sara' possibile usare il grafene anche per la realizzazione di nuovi strumenti di diagnostica, molto simili al “tricorder” dei dottori nell'universo fantascientifico di “Star Trek”.

• Per le sue qualita', il grafene potrebbe essere utilizzato nella rigenerazione dei tessuti del corpo umano, oppure nella creazione di impianti bionici, come ad esempio: “retine artificiali”.

SCOPRI DI PIU' CON I SEGUENTI FILMATI:

• Bright visible light emission in graphene

• Grafeno: dentro de 50 años (1ª parte)

• Grafeno: dentro de 50 años (2ª parte)

SITI WEB DI APPROFONDIMENTO E DI AGGIORNAMENTO:

• http://grafene.cnr.it

• https://www.meteoweb.eu/tag/grafene/

• http://www.lescienze.it/topics/news/grafene-788393/