Un foglio di grafene sembra un nido d'ape su scala atomica. enot-poloskun/Getty Images Nel 2004, due scienziati dell'Università di Manchester hanno condotto un esperimento apparentemente semplice con conseguenze potenzialmente rivoluzionarie. I ricercatori, André Geim e Konstantin Novoselov, giocavano con la grafite, le cose nella punta della tua matita. La grafite è composta da fogli supersottili di puro carbonio impilati uno sopra l'altro. Geim e Novoselov volevano vedere se potevano isolare un singolo foglio di grafite, uno strato di carbonio incredibilmente sottile che misura solo un atomo di spessore.
Così, hanno preso un rotolo di nastro adesivo. Sì, lo stesso nastro trasparente nell'applicatore di plastica che tieni nel cassetto delle cianfrusaglie. Ecco come Geim ha descritto la sua tecnica, come riportato dalla BBC.
"Metti [nastro adesivo] sulla grafite o sulla mica e sbucci lo strato superiore. Ci sono scaglie di grafite che si staccano dal nastro. Quindi pieghi il nastro a metà e lo attacchi ai fiocchi sopra e li dividi di nuovo. E ripetere questa procedura 10 o 20 volte. Ogni volta, i fiocchi si dividono in fiocchi sempre più sottili. Alla fine ti rimangono dei fiocchi molto sottili attaccati al nastro. Sciogli il nastro e tutto si risolve".Il metodo del nastro adesivo ha funzionato! Isolando un foglio di carbonio monostrato, A Geim e Novoselov è stato attribuito il merito di aver scoperto un nuovissimo materiale chiamato grafene che ora è ritenuto il più forte, sostanza più leggera ed elettricamente conduttiva sulla Terra.
Nel 2010, Geim e Novoselov hanno condiviso il premio Nobel per la fisica per aver scoperto il grafene, e i ricercatori di tutto il mondo hanno iniziato a chiedere a gran voce modi per utilizzare questo straordinario "supermateriale" per costruire batterie più potenti e più durature, microchip più veloci, circuiti flessibili, biosensori impiantabili e altro ancora. Un decennio dopo, il grafene deve ancora mantenere le sue tanto acclamate promesse, ma gli addetti ai lavori sono fiduciosi che finalmente vedremo gli smartphone, auto elettriche e sensori che utilizzeranno la tecnologia basata sul grafene nei prossimi anni.
Misurando in un solo atomo di spessore, un foglio di grafene controlla tutte le scatole di un supermateriale:
Il grafene trae i suoi superpoteri dalla sua struttura. Se potessi ingrandire abbastanza da vicino, vedresti che un foglio di grafene sembra un nido d'ape su scala atomica. I singoli atomi di carbonio sono disposti in uno schema esagonale che ricorda il filo di pollo. Ogni atomo di carbonio in un foglio di grafene è legato covalentemente ad altri tre elementi di carbonio, che conferisce al materiale la sua incredibile forza.
Perché il grafene conduce l'elettricità così bene? Ancora, a causa del modo in cui questi atomi di carbonio sono legati. Ogni atomo di carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno, ma solo tre di quegli elettroni sono condivisi con i suoi tre atomi di carbonio vicini. L'elettrone rimanente è chiamato elettrone pi ed è libero di muoversi nello spazio tridimensionale, che gli consente di trasmettere cariche elettriche attraverso il foglio di grafene quasi senza resistenza. Infatti, il grafene è il conduttore di elettricità più veloce a temperatura ambiente di qualsiasi sostanza conosciuta.
Alla Cabot Corporation, il ricercatore senior Matt Hesketh esamina la progressione del grafene in tre fiale. La fiala a sinistra è di grafite, quello centrale è grafite espansa, e quello a destra è il grafene. John Tlumacki/The Boston Globe via Getty Images
Una recente scoperta potrebbe aggiungere un altro superpotere alla lista dei vanti del grafene. Un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) stava sperimentando il grafene a doppio strato - due strati di grafene a atomo singolo impilati insieme - quando si sono imbattuti in un nuovo, proprietà quasi magica del grafene. Quando gli strati vengono ruotati leggermente fuori linea tra loro - uno spostamento di esattamente 1,1 gradi - il grafene diventa un superconduttore. I superconduttori sono la classe più rara di materiali che conducono elettricità senza alcuna resistenza e senza calore.
La scoperta dell'"angolo magico" del grafene ha suscitato un'ondata d'urto nella comunità scientifica. Sebbene l'esperimento sia stato condotto a temperature estremamente basse (vicino a 0 gradi Kelvin o meno 459,67 F), ha aperto la possibilità che combinando il grafene con altri elementi superconduttori, siamo più vicini che mai alla superconduttività a temperatura ambiente. Un tale risultato migliorerebbe radicalmente l'efficienza energetica di qualsiasi cosa, dai gadget alle automobili fino a intere reti elettriche.
La superconduttività è ancora lontana decenni, ma i prodotti rivoluzionari a base di grafene stanno arrivando sul mercato molto prima, dice Andrea Ferrari, professore di nanotecnologia e direttore del Cambridge Graphene Centre.
"Entro il 2024, ci sarà una varietà di prodotti di grafene sul mercato, "dice Ferrari, "comprese le batterie, fotonica, telecamere per la visione notturna e altro ancora."
I consumatori aspettano con impazienza le batterie a base di grafene da anni. Le batterie agli ioni di litio di tutti i nostri gadget sono relativamente lente da caricare, perdono rapidamente il loro succo e si esauriscono dopo un determinato numero di cicli. Questo perché il processo elettrochimico che alimenta le batterie agli ioni di litio genera molto calore.
Ma poiché il grafene è il conduttore elettrico più efficiente al mondo, produce molto meno calore durante la ricarica o la scarica di elettricità. Le batterie a base di grafene promettono velocità di ricarica cinque volte superiori rispetto a quelle agli ioni di litio, durata della batteria tre volte maggiore, e cinque volte il numero di cicli prima di dover essere sostituiti.
Aziende di elettronica come Samsung e Huwei stanno sviluppando attivamente batterie a base di grafene per smartphone e altri gadget, ma le prime che arriveranno sul mercato è il 2021. Per quanto riguarda le batterie al grafene nelle auto elettriche, che potrebbero aumentare notevolmente il loro raggio di guida, mancano ancora pochi anni. Un intero settore è stato costruito sulla tecnologia agli ioni di litio e non cambierà da un giorno all'altro.
"L'industria delle batterie è molto conservatrice, "dice Gesù de la Fuente, CEO di Graphanea, un'azienda che produce e vende grafene puro e chip a base di grafene a ricercatori accademici e dipartimenti di ricerca e sviluppo. "Potrebbe cambiare la composizione delle batterie un paio di volte ogni cinque-dieci anni, il che rende molto difficile introdurre nuovi prodotti in questo settore."
Ci sono alcune batterie a base di grafene sul mercato, inclusi alcuni caricabatterie cablati e wireless di un'azienda chiamata Real Graphene, ma queste sono solo la punta dell'iceberg, dice Ferrari, che è anche l'ufficiale scientifico e tecnologico per l'ammiraglia del grafene, una collaborazione da 1 miliardo di euro dell'Unione Europea per accelerare lo sviluppo della tecnologia del grafene. I partner di ricerca con Flagship stanno già producendo batterie al grafene che superano le migliori celle ad alta energia di oggi del 20 percento della capacità e del 15 percento di energia. Altri team hanno costruito celle solari a base di grafene che sono il 20% più efficienti nel convertire la luce solare in elettricità.
Mentre le batterie al grafene potrebbero essere le prime sul mercato, i ricercatori sono impegnati nello sviluppo di innumerevoli altre applicazioni per questo materiale miracoloso.
I biosensori sono un grosso problema. Immagina un chip incredibilmente sottile e flessibile che può essere iniettato nel flusso sanguigno per monitorare i dati sanitari in tempo reale come i livelli di insulina o la pressione sanguigna. O un'interfaccia al grafene che invia segnali avanti e indietro al cervello per rilevare un attacco epilettico imminente o addirittura prevenirlo. Magro, i sensori estensibili possono anche essere indossati sulla pelle o intrecciati nel tessuto dei vestiti.
Professore di fisica Dr. Yan Fung, detiene una nuova invenzione di celle solari semitrasparenti a basso costo con elettrodi di grafene presso la Poly University di Hung Hom, Cina, 2015. David Wong/South China Morning Post via Getty Images La fotonica è un altro campo che sta già incorporando il grafene. Integrando il grafene in chip fotosensibili, fotocamere e altri sensori possono migliorare notevolmente la sensibilità anche alle onde luminose più deboli attraverso lo spettro visibile e invisibile. Ciò non solo migliorerà la qualità dell'immagine di fotocamere e telescopi, ma anche immagini mediche.
La filtrazione è un'altra promettente applicazione del grafene. Semplici filtri per la purificazione dell'acqua costruiti con polimeri di grafene possono legarsi a contaminanti organici e inorganici nell'acqua potabile. I ricercatori della Graphene Flagship hanno anche creato tecnologie di desalinizzazione basate su diodi di grafene in grado di rimuovere oltre il 60% di sale dall'acqua di mare per usi agricoli e di altro tipo.
Tutti questi sviluppi richiederanno tempo, ma la Ferrari del Cambridge Graphene Center è fiduciosa che il grafene sarà all'altezza del suo clamore. Infatti, è ugualmente entusiasta delle proprietà ancora da scoprire dei 2 stimati, 000 altri materiali monostrato anch'essi in fase di isolamento, metodo del nastro adesivo o altro.
"Diciamo grafene, ma in realtà stiamo parlando di un gran numero di opzioni che vengono esplorate, " dice Ferrari. "Le cose si stanno muovendo nella giusta direzione".
Ora è fantasticoIl produttore di attrezzature sportive Head è stato uno dei primi a saltare sul carro del grafene. La sua racchetta da tennis Graphene XT afferma di essere il 20 percento più leggera delle racchette con lo stesso peso di oscillazione.
