C'è una spinta costante per lo sviluppo di materiali da costruzione multifunzionali ad altissime prestazioni. Il grafene sembra essere una promessa per molte applicazioni

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Il grafene, le origini

La grafite è nota e utilizzata dall'uomo fin dai tempi antichi. È composto da strati di carbonio detti grafene, bidimensionali, atomicamente piatti, con legame sp², debolmente uniti tra loro dalle forze di van der Waals.

Struttura della grafite

Nel corso dei secoli, la grafite ha trovato molte applicazioni, da materiale refrattario a elettrodo per batterie, da matite a lubrificanti, tra gli altri.

La svolta si è osservata quando dei ricercatori hanno isolato il grafene per la prima volta usando il metodo dell'esfoliazione meccanica ("nastro adesivo").

I fisici Geim e Novoselov hanno vinto il premio Nobel per aver scoperto un materiale completamente nuovo, non solo il più sottile in assoluto, ma anche il più resistente.

La scoperta del grafene ha aperto un nuovo campo di ricercadei materiali 2D. Ogni giorno vengono scoperti o previsti nuovi materiali stratificati, con diverse proprietà (metalli, isolanti, semiconduttori, magnetici, topologici, ecc.). Inoltre, la possibilità di combinare questi materiali in strutture impilate denominate "eterostrutture di van der Waals" offre infinite possibilità di progettazione ingegneristica di nuove strutture per soddisfare le funzionalità target.

La scoperta di nuovi fenomeni e l'uso del grafene singolo e multistrato per applicazioni selezionate richiedono costanti progressi nella sintesi del grafene.

Dai primi lavori sul grafene esfoliato meccanicamente, la sintesi si è notevolmente evoluta. Attualmente esistono diversi metodi per sintetizzare il grafene, ciascuno con i propri vantaggi e difficoltà. Il grafene può essere sintetizzato mediante approcci top-down come l'intercalazione della grafite, la pirolisi, la riduzione dell'ossido di grafene, l'esfoliazione elettrochimica, la sonicazione, ecc ., nonché approcci dal basso verso l'alto come la deposizione chimica da fase vapore (CVD), la crescita epitassiale su SiC e altri. Sono stati raggiunti notevoli progressi nella crescita CVD del grafene monostrato e doppio strato di grandi dimensioni.

Possibili utilizzi

Fin dai primi giorni della ricerca sul grafene, sono state concepite le potenziali applicazioni del grafene nell'elettronica e nella spintronica (Intesa come tecnologia di memorizzazione ed elaborazione dell'informazione, essa costituisce un connubio tra l'elettronica e il magnetismo proponendosi di affidare allo spin la codifica binaria, anziché alla modulazione della carica elettrica. Lo spin dell'elettrone infatti, essendo quantizzato ed avendo due sole configurazioni possibili si presta immediatamente all'implementazione del codice binario).

Successivamente, sono state esplorate diverse altre applicazioni, dai display flessibili ai dispositivi a radiofrequenza.

Il numero di applicazioni di grafene cresce costantemente ogni anno. La geometria planare del grafene e la sua sensibilità all'ambiente molecolare circostante lo rendono un materiale ideale per sensori elettrochimici e biosensori. Il grafene e l'ossido di grafene sono materiali promettenti per applicazioni biomediche come la somministrazione di farmaci, il biosensing, il bioimaging, la terapia del cancro e la teranostica.

Le applicazioni relative alle eccezionali proprietà meccaniche e conduttive del grafene sono promettenti, come i rivestimenti anticorrosivi e vari tipi di compositi (con polimeri, metalli, ossidi e altri).

Il grafene e i suoi compositi possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, come celle a combustibile, batterie agli ioni di litio, supercondensatori, fotocatalisi e dispositivi fotovoltaici. Le membrane a base di grafene sembrano essere un'ottima piattaforma anche per la separazione molecolare e la filtrazione.

Le sfide nel campo delle applicazioni del grafene comportano il superamento dei colli di bottiglia del costo e del volume di produzione, rispetto alle tecnologie concorrenti.

Capaz R.B., Grand challenges in graphene and graphite research, Front. Carbon, 03 October 2022 Sec. Graphite-ene Volume 1 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frcrb.2022.1034557

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