Il grafene delle meraviglie -...
2
Palle e nanotubi Oltre al grafene, vi sono anche altre singolari for- me molecolari del carbonio, che fino a pochi anni fa erano sconosciute. La prima di queste strutture, scoperta nel 1985, è costituita da una molecola a forma di pallone da calcio, chiamata buckmin- sterfullerene (o, in breve, buckyballs). Sei anni più tardi furono individuate le strutture cilindriche di atomi di carbonio con pareti a nido d’ape oggi note come nanotubi. Buckyballs e nanotubi sono noti collettivamente come fullereni. Tutto nasce da un foglio La grafite, i fullereni e il grafene condividono la stessa disposizione strutturale di base degli ato- mi che li costituiscono. Ciascuna di tali strutture si basa infatti su una sottostruttura costituita da sei atomi di carbonio, fortemente legati a formare un esagono regolare: quello che i chimici chiamano un anello benzenico. Al successivo livello di organizzazione si trova il grafene, un foglio di anelli benzenici esagonali che assomigliano a una rete metallica. Le buckyballs e molti altri fullereni non tubolari possono essere pensati come strati di grafene ‘cur- vati’ su scala atomica, fino a formare sfere, sferoidi allungati e così via. I nanotubi di carbonio sono invece fogli di grafene ripiegati a formare piccoli cilindri. La grafite, infine, è una spessa sovrapposizione tridimensionale di centinaia di migliaia di fogli di grafene tenuti assieme da deboli forze attrattive, le forze di Van der Waals. La debolezza di questi legami è ciò che permette alla grafite di essere fa- cilmente sfaldabile in minuscoli strati, che riman- gono come tracce sul foglio quando si scrive con la matita. Il paese delle meraviglie In un certo senso, dunque, il grafene può essere pensato come la madre di tutte le forme grafitiche e sembra probabile che offra possibilità di ottenere molte informazioni sulla fisica di base e ancor più applicazioni tecnologiche. Dalla grafite al grafene Quando tracciamo una linea con una matita, il segno che lasciamo può contenere tracce del più innovativo materiale attualmente noto: il grafene. La mina delle matite è composta da grafite, che è carbonio puro, organizzato in strati di atomi so- vrapposti. “Grafene” è il nome dato a ciascuno di questi strati, nei quali gli atomi di carbonio sono legati a formare un reticolo di esagoni ripetuti su un unico piano. Dopo molti tentativi, nel 2004 si è riusciti a separare gli strati della grafite, riducendo- la in frammenti sempre più sottili, fino a ottenerne alcuni dello spessore di un solo atomo: il grafene appunto. Oltre a essere il più sottile tra tutti i materiali, il grafene è anche estremamente rigido e resistente. L’interesse per questo materiale deriva però so- prattutto dal fatto che, nella sua forma pura, esso conduce elettroni più velocemente di qualunque altra sostanza, a temperatura ambiente. Per descrivere questo comportamento si deve ri- correre all’elettrodinamica quantistica che fino a ora aveva trovato conferma solo in situazioni mol- to particolari e non riproducibili (o difficilmente riproducibili) in laboratorio, come i buchi neri. Il grafene delle meraviglie Una forma del carbonio scoperta recentemente apre la strada a un ricco filone di ricerca fisica fondamentale e di applicazioni pratiche. Grafene al microscopio. grafene
Transcript of Il grafene delle meraviglie -...
Palle e nanotubiOltre al grafene, vi sono anche altre singolari for-me molecolari del carbonio, che fino a pochi anni fa erano sconosciute. La prima di queste strutture, scoperta nel 1985, è costituita da una molecola a forma di pallone da calcio, chiamata buckmin-sterfullerene (o, in breve, buckyballs). Sei anni più tardi furono individuate le strutture cilindriche di atomi di carbonio con pareti a nido d’ape oggi note come nanotubi. Buckyballs e nanotubi sono noti collettivamente come fullereni.
Tutto nasce da un foglioLa grafite, i fullereni e il grafene condividono la stessa disposizione strutturale di base degli ato-mi che li costituiscono. Ciascuna di tali strutture si basa infatti su una sottostruttura costituita da sei atomi di carbonio, fortemente legati a formare un esagono regolare: quello che i chimici chiamano un anello benzenico.Al successivo livello di organizzazione si trova il grafene, un foglio di anelli benzenici esagonali che assomigliano a una rete metallica.Le buckyballs e molti altri fullereni non tubolari possono essere pensati come strati di grafene ‘cur-vati’ su scala atomica, fino a formare sfere, sferoidi allungati e così via.I nanotubi di carbonio sono invece fogli di grafene ripiegati a formare piccoli cilindri.La grafite, infine, è una spessa sovrapposizione tridimensionale di centinaia di migliaia di fogli di grafene tenuti assieme da deboli forze attrattive, le forze di Van der Waals. La debolezza di questi legami è ciò che permette alla grafite di essere fa-cilmente sfaldabile in minuscoli strati, che riman-gono come tracce sul foglio quando si scrive con la matita.
Il paese delle meraviglieIn un certo senso, dunque, il grafene può essere pensato come la madre di tutte le forme grafitiche e sembra probabile che offra possibilità di ottenere molte informazioni sulla fisica di base e ancor più applicazioni tecnologiche.
Dalla grafite al grafeneQuando tracciamo una linea con una matita, il segno che lasciamo può contenere tracce del più innovativo materiale attualmente noto: il grafene.La mina delle matite è composta da grafite, che è carbonio puro, organizzato in strati di atomi so-vrapposti. “Grafene” è il nome dato a ciascuno di questi strati, nei quali gli atomi di carbonio sono legati a formare un reticolo di esagoni ripetuti su un unico piano. Dopo molti tentativi, nel 2004 si è riusciti a separare gli strati della grafite, riducendo-la in frammenti sempre più sottili, fino a ottenerne alcuni dello spessore di un solo atomo: il grafene appunto.Oltre a essere il più sottile tra tutti i materiali, il grafene è anche estremamente rigido e resistente. L’interesse per questo materiale deriva però so-prattutto dal fatto che, nella sua forma pura, esso conduce elettroni più velocemente di qualunque altra sostanza, a temperatura ambiente.Per descrivere questo comportamento si deve ri-correre all’elettrodinamica quantistica che fino a ora aveva trovato conferma solo in situazioni mol-to particolari e non riproducibili (o difficilmente riproducibili) in laboratorio, come i buchi neri.
Il grafene delle meraviglieUna forma del carbonio scoperta recentemente apre la strada a un ricco filone di ricerca fisica fondamentale e di applicazioni pratiche.
Grafene al microscopio.
grafene
Una volta che saranno state sviluppate tecniche di produzione più economiche, si potranno infatti sfruttare tutte le sue straordinarie proprietà fisiche ed elettroniche.
Il suo elevato rapporto superficie/volume, per esempio, lo renderebbe adatto alla produzione di materiali compositi molto resistenti. La sua altis-sima conducibilità elettrica potrebbe portare alla produzione di batterie più efficaci e di più lunga durata, di cui potrebbero giovarsi anche celle solari e schermi a cristalli liquidi, dato che è un condut-tore trasparente alla luce. Senza contare che con il grafene si possono produrre componenti elettro-nici in grado di sfruttare le proprietà anche di un solo elettrone separato (chip a elettrone singolo).Qualunque cosa ci riservi il futuro, il paese delle meraviglie con lo spessore di un solo atomo ri-marrà quasi certamente sulla ribalta nei decenni a venire. Ma ciò che appare veramente incredibile è scoprire che tutta questa ricchezza e complessità è rimasta nascosta per secoli in quasi ogni mina delle matite che usiamo tutti i giorni.
Adattato da Andre K. Geim, Philip Kim, Le meraviglie del grafene, «Le Scienze», 478, giugno 2008
1. Come sono organizzati gli atomi nel grafene?2. Perché il grafene è un materiale innovativo?3. Quali sono le prospettive di sviluppo di questo materiale
e con quali tecnologie potrebbe essere prodotto indu-strialmente?
I “fogli” di esagoni e le loro deformazioni.
Microchip a elettrone singolo.
grafene
sorgente
sorgente
isola
isola
pozzo
pozzo
porta
Grafene
Grafite Nanotubo di carbonio Fullerene
(C60)
