Grafene: definizione e applicazioni nel mondo industriale

 

 

Nuovi materiali: il grafene

Si dice che un diamante è per sempre, ed è vero. È per sempre grazie alla sua struttura atomica ordinata che lo rende pressoché perfetto. Quando gli atomi si legano in modo ordinato come per il diamante ma si esclude la terza dimensione si ottiene il grafene: molto probabilmente anch’esso è per sempre.

Ma cos’è il grafene?

La scoperta di questo materiale innovativo è relativamente recente, avvenuta infatti poco più di dieci anni fa. Il grafene si basa su un concetto abbastanza complesso, poiché la sua struttura bidimensionale possiede effettivamente la terza dimensione, che però equivale allo spessore di un singolo atomo. Generalmente i legami atomici assumono una struttura esagonale, mentre nel caso di imperfezioni la struttura può presentare anche poligoni diversi dall’esagono. Per rendere il grafene “palpabile” occorre predisporre una struttura multistrato. Si ottiene così un materiale dalle proprietà uniche: può arrivare alla superficie di 2600 m2 per singolo grammo e possiede una conducibilità elettrica molto più alta rispetto, ad esempio, al rame e all’oro. Per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche il grafene è un materiale altamente resistente ed elastico, può essere dilatato meccanicamente del 20% della sua lunghezza, risulta molto più resistente dell’acciaio ed è altamente flessibile. Tuttavia come per ogni materiale avveniristico non si è ancora raggiunta la piena conoscenza di tutte le sue caratteristiche, peculiarità e le conseguenze delle potenziali applicazioni. Pur avendo un’altissima conducibilità elettrica, le ricerche e la sperimentazione procedono allo scopo di farlo diventare elettricamente controllabile.

Dove si usa

Le proprietà fisiche del grafene si possono sfruttare in diverse applicazioni. Citiamo alcuni esempi:

Nella Meccanica

Il grafene risulta particolarmente adatto in oggetti che richiedono resistenza alla fatica e un alto assorbimento degli urti, come racchette da tennis e caschi. Inoltre il grafene può essere utilizzato in sistemi di filtraggio dell’acqua, aria o di separazione dei fluidi: una membrana di grafene può infatti essere resa semipermeabile dotandola di micro fori i quali, a seconda del loro diametro, potranno filtrare molecole di un liquido separandolo da un altro, oppure trattenere le impurità contenute nell’aria.

In Elettronica

In campo hi-tech, la flessibilità del grafene lo rende estremamente adatto per applicazioni in smartphone, computer e televisori: è possibile infatti ricavare circuiti elettrici flessibili, cosa impossibile da produrre con il silicio data la sua fragilità.

Anche nel campo delle energie pulite il grafene riesce a trovare impiego, ad esempio nel fotovoltaico. Le celle fotovoltaiche in grafene hanno redimenti che possono arrivare al 50% in più rispetto a quelle in silicio mono e policristallino. Questa applicazione in particolare potrebbe rappresentare per il futuro un ulteriore passo avanti per ottimizzare il rendimento delle celle fotovoltaiche contribuendo ai green goal e ad abbassare ulteriormente l’impatto ambientale.

Un’ulteriore applicazione del grafene nel settore dell’elettronica si trova all’interno delle batterie al litio. Gli elettrodi delle batterie al litio sono generalmente costituiti dalla grafite, il grafene, in sostituzione a quest’ultima può aumentare la vita utile della batteria e renderla più efficiente. Non solo, può essere impiegato anche nella nanotecnologia e per lo sviluppo ulteriore delle auto ibride grazie alla sua grande versatilità.

Cosa possiamo aspettarci per applicazioni future?

Come detto, il grafene è un materiale “giovane” e deve essere ancora studiato e testato in profondità attraverso esperimenti e ricerche. Finora ha dimostrato molto potenziale e innumerevoli vantaggi rispetto a materiali più convenzionali. Si potrebbe pensare che presto il grafene sostituirà il silicio in campo elettronico, ma in realtà non è così scontato. Il silicio conta su oltre 60 anni di sviluppo ed è un materiale affidabile e collaudato; puntare su un nuovo materiale, migliore sotto molti punti di vista, ma ancora da testare in modo approfondito, non giustificherebbe eventuali problematiche di “gioventù”. Impiegarlo nell’elettronica in modo massivo comporterebbe lo smantellamento degli impianti produttivi del silicio con ingenti investimenti per la predisposizione di nuovi impianti. Il futuro del grafene per il momento è nelle mani della ricerca. Nel frattempo attendiamo risultati delle ricerche e dei segnali dal mercato, è tutto un divenire.

 

 

 

Articolo scritto da Giardino delle Competenze
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