CARATTERISTICHE E PROPRIETA' DEL GRAFENE

Le proprieta' elettriche, ottiche e meccaniche del grafene possono essere riassunte nel modo seguente:

• la conducibilita' elettrica, a temperatura ambiente, e' migliore di quella del rame (attualmente tutti i circuiti elettrici hanno conduttori in rame);

• la velocita' degli elettroni e' solo 300 volte inferiore alla velocita' della luce;

• la resistenza meccanica e' 42 N/m, praticamente questo materiale e' cento volte piu' resistente dell'acciaio;

• la conducibilita' termica e' la piu' alta misurata fino ad oggi;

• l'elasticita' e' del 20%, cioe' il grafene puo' allungarsi fino al 20% della sua lunghezza iniziale;

• la trasparenza ottica e' molto buona, il grafene assorbe solo il 2,3% della luce;

• lo spessore di una lamina in grafene e' dell'ordine di 0,35 nm (1 nm = 10^-9 m).

Tutte le sorprendenti proprieta' di questo straordinario materiale risiedono nella perfetta disposizione che la natura ha voluto dare agli atomi di carbonio del grafene; questi atomi sono fortemente legati tra loro, ma i legami, nello stesso tempo, sono abbastanza flessibili da consentire un'elasticita' stimata al 20%.

La struttura stessa del grafene permette agli elettroni di muoversi liberamente all'interno del materiale su notevoli distanze, tanto da garantire una conducibilita' elettrica molto piu' alta rispetto a quella dei normali conduttori. In pratica, l'elevata conducibilita' elettrica del grafene e' dovuta ai quattro elettroni di valenza del carbonio; tre di questi elettroni risultano impegnati nei legami planari (ibridizzazione sp²) e determinano la struttura bidimensionale del materiale; il quarto elettrone invece, presente nell'orbitale atomico di “tipo p”, che non e' coinvolto nel processo di ibridizzazione, e' in grado di muoversi quasi liberamente nella struttura del grafene. La capacita' di conduzione elettrica del grafene e' (10 - 100 volte) superiore rispetto a quella dei conduttori tradizionali, nei quali gli elettroni, collidendo con gli atomi, dissipano la propria energia sotto forma di calore.

Le applicazioni piu' promettenti del grafene riguardano in modo particolare l'Elettronica, non solo per le eccezionali proprieta' elettriche di questo materiale, ma anche perche' in esso sono presenti tutte quelle caratteristiche richieste ad un conduttore ideale, quali:

• il basso valore di resistivita' (~1,0·10^-8 Ωm);

• l'elevata densita' di corrente che vi puo' fluire (>10⁸ A/cm²);

• l'alto valore di conducibilita' termica. La conducibilita' termica del grafene (circa 5000 Wm^-1K^-1) e' stata misurata recentemente a temperatura ambiente ed e' risultata molto piu' alta di tutti i valori riguardanti le strutture carboniose: nanotubi, grafiti, diamanti. Al contrario, il mono-strato, depositato su un substrato di SiO₂, ha una conducibilita' termica di 600 Wm^-1K^-1, che e' approssimativamente un fattore 10 inferiore del valore della conducibilita' nello stato libero; tale valore risulta comunque superiore alla conducibilita' dei metalli, come il rame (380 Wm^-1K^-1) e l'argento (430 Wm^-1K^-1).