SCOPERTA DEL GRAFENE

Gli inglesi, nel XVI secolo, furono i primi ad introdurre l'uso della grafite. Essi credevano che questo materiale fosse a base di piombo e percio' lo introdussero inizialmente per marchiare le pecore. Nel XVIII secolo, la grafite fu identificata in maniera appropriata e le fu attribuito il nome corrente.

Il termine “grafite” deriva dal greco “graphos” che vuol dire “scrivere”.

La grafite e' un minerale lamellare, composto da tantissimi strati di atomi di carbonio; in ogni strato, dallo spessore di un singolo atomo, gli atomi di carbonio sono ordinati in una struttura bidimensionale di tipo esagonale; deboli forze chimiche, dette “forze di Van der Waals”, provvedono a tenere insieme gli strati di carbonio. La grafite puo' essere immaginata come un libro composto da moltissimi fogli, ogni foglio corrisponde ad uno degli strati di atomi di carbonio.

Struttura della grafite

Il singolo strato di grafite e' conosciuto con il nome di “grafene”. L'interesse per il grafene nasce negli anni quaranta, quando i fisici teorici iniziarono a studiarlo per capire le sue proprieta', senza pero' riuscire mai ad osservarlo. Con il passare degli anni, la produzione in laboratorio del grafene non ottenne buoni risultati, tanto che si comincio' a dubitare dell'esistenza di questo materiale.

La vera scoperta del grafene avvenne nel 2004 ad opera dei fisici russi Andrej Konstantinovič Gejm e Konstantin Sergeevič Novosëlov, entrambi dell'Universita' di Manchester, in Inghilterra.

I due scienziati giunsero quasi per caso alla scoperta di questo materiale, mentre utilizzavano scaglie di grafite con l'intento di indagare sulle proprieta' elettriche della materia. Al fine di ottenere scaglie sempre piu' sottili, i due fisici idearono un metodo estremamente semplice ma efficace, che e' conosciuto come metodo “scotch-tape” ed e' basato sull'esfoliazione meccanica della grafite. In pratica, fu utilizzato semplicemente del nastro adesivo per strappare strati sottili da un pezzo di grafite. L'operazione di esfoliazione meccanica, ripetuta continuamente per circa venti volte, sugli stessi frammenti di grafite, consenti' ai due scienziati di ottenere strati di spessore infinitesimo; questi strati furono trasferiti su un substrato di SiO2 che successivamente fu analizzato. L'analisi di tali strati sottili mostro' che alcuni di essi avevano lo spessore di un singolo atomo: praticamente era stato isolato il grafene.

Immagine di fiocchi di grafite depositati su nastro adesivo.

Gejm spiega che uno strato monoatomico di un qualsiasi materiale, in teoria, non esiste perche': “viviamo in un mondo 3D quindi le strutture 2D, come il grafene, non potrebbero formarsi, tenderebbero a distorcersi per creare strutture 3D come la grafite, i fullereni ed i nanotubi. Però il grafene e' stato creato in modo diverso, esso e' stato ottenuto dalla grafite”.

In altre parole e' impossibile creare il grafene mediante l'aggregazione di singoli atomi di carbonio, e' invece possibile ottenere uno strato di grafene gia' formato, partendo da un blocco di grafite.

I due scienziati russi impiegarono quasi un anno affinche' la comunita' scientifica internazionale si convincesse dell'esistenza del grafene. Andrej Gejm and Konstantin Novosëlov, per aver messo in evidenza le interessanti proprieta' di questo nuovo materiale, ottennero nel 2010 il Premio Nobel per la Fisica.

Andrej Konstantinovič Gejm Konstantin Sergeevič Novosëlov

Oggi, l'esfoliazione della grafite puo' essere fatta con metodi meccanici elaborati, ma anche utilizzando metodi chimici; cio' ha permesso la realizzazione di inchiostri al grafene, impiegabili nella stampa di circuiti opto-elettronici su supporti plastici e quindi pieghevoli. Gli inchiostri al grafene stanno rivoluzionando il mondo dell'Elettronica, orientato oramai verso “l'Elettronica flessibile”. In pratica, i circuiti elettrici si potranno realizzare utilizzando materiali bidimensionali - 2D, come il grafene, e questi potranno essere inseriti in tecnologie molto avanzate ed innovative. Come ad esempio:

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