Grafene e Wikipedia:Pagine da cancellare/Conta/2019 luglio 23: differenze tra le pagine

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[[File:Graphen.jpg|thumb|upright=1.5|Modello molecolare del grafene, si noti la struttura a celle esagonali.]]

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[[File:Nobelpriset i fysik 2010.png|thumb|upright=1.5|Un blocco di [[grafite]], un transistor al grafene e un dispenser di [[nastro adesivo]], donati al [[Nobel Museum]] di [[Stoccolma]] da [[Andre Geim]] e [[Konstantin Novosëlov]] nel [[2010]].]]

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Il '''grafene''' è un [[materiale]] costituito da uno strato monoatomico di [[atomo|atomi]] di [[carbonio]] (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica<ref>{{Cita web|autore = |url = http://scienza.panorama.it/Avanza-la-rivoluzione-del-grafene-materiale-delle-meraviglie|titolo = Grafene su panorama.it|accesso = |data = }}</ref>.

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Come suggerisce la desinenza ''-ene'' del nome, gli atomi sono ibridati nella forma [[Ibridizzazione|sp²]], e si dispongono quindi a formare [[esagono|esagoni]] con [[angolo|angoli]] di 120°. In presenza di imperfezioni ([[Pentagono (geometria)|pentagoni]] o [[ettagono|ettagoni]] invece degli esagoni), la struttura si deforma: con 12 pentagoni si ha un [[fullerene]]. La presenza di singoli pentagoni o ettagoni provoca invece increspature della superficie.

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Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un [[transistor]]) conseguite nel [[2004]]<ref>[http://punto-informatico.it/2262188/PI/News/uk-realizzato-un-transistor-grafite.aspx UK, realizzato un transistor di grafite]</ref> sono valse il [[premio Nobel per la fisica]] [[2010]] ai due fisici [[Andrej Gejm]] e [[Konstantin Novosëlov]] dell'[[Università di Manchester]].

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Nonostante i problemi iniziali nell'applicabilità del grafene a singolo strato, i due fisici hanno evoluto il materiale fino alla costruzione del cosiddetto grafene a doppio strato, che garantisce più resistenza e flessibilità di utilizzo.<ref>[http://www.atlantisway.com/articoli/scienza-e-ambiente/item/602-bi-layer-graphene-il-grafene-a-doppio-strato-per-la-rivoluzione-scientifica-del-xxi-secolo Il grafene a doppio strato, la prossima rivoluzione scientifica?]</ref>

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== Descrizione ==

Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture pentagonali o ettagonali sono difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha un [[fullerene]]. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella, e l'inserimento controllato di celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. [[Nanotubi di carbonio]] a singola parete possono essere considerati cilindri di grafene; talvolta alle estremità di questi nanotubi si trovano strutture emisferiche costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo".

La definizione ufficiale del grafene data dalla [[IUPAC]] è:

{{Citazione|Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della [[grafite]] può essere considerato come l'elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all'interno dei composti della grafite. Il termine "strato di grafene" è comunemente utilizzato all'interno della terminologia del carbonio.|Bohem, Setton e Stummp, ''Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds''<ref>{{Cita pubblicazione|autore = H.P. Boehm|autore2=R. Setton|autore3=Stumpp, E.|anno = 1994|titolo = Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds|rivista = Pure and Applied Chemistry|volume = 66|pagina=1893-1901|doi = 10.1351/pac199466091893}}</ref>}}

== Produzione ==

=== Esfoliazione meccanica ===

L'esfoliazione meccanica della grafite consiste nell'applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino ad ottenere il singolo strato. I primi tentativi si effettuarono già nel 1998, quando l'interazione di punte per analisi AFM ([[microscopio a forza atomica]]) e STM ([[microscopio a effetto tunnel]]) con la superficie della grafite fu sfruttata per fornire un'energia sufficiente a superare le forze di attrazione inter-piano e portare alla rimozione e isolamento dello strato monoatomico cristallino. In seguito il gruppo di [[André Geim]] ha sviluppato un metodo molto semplice, universalmente noto come metodo scotch-tape, che usa semplice [[nastro adesivo]] per esfoliare la [[grafite]]. La tecnica consiste nel porre la superficie di un cristallo di grafite sul nastro adesivo, staccare il nastro e pelare così alcuni strati di materiale. Il nastro con l'impronta della grafite è quindi ripiegato su se stesso e svolto diverse volte. Ogni volta, i fiocchi deposti si dividono in strati sempre più sottili. Alla fine del processo, i sottili fiocchi adesi possono essere trasferiti in maniera semplice ad un substrato isolante. L'esfoliazione meccanica è il metodo più semplice ed accessibile per isolare fiocchi di grafene della dimensione di alcuni micron quadri, utili per la ricerca di base sulle sue proprietà. Purtroppo questo metodo non è adatto per una produzione industriale.

=== Esfoliazione in fase liquida ===

Il metodo si basa sull'utilizzo delle forze di pressione che si generano all'interno di un liquido. Grafite in polvere è mescolata ad un solvente dotato delle opportune qualità fisiche come viscosità, tensione superficiale, etc... (tipicamente [[1-metil-2-pirrolidone]]) o in una miscela di acqua e surfattante. La sospensione è quindi sottoposta a miscelazione attraverso onde ultrasoniche, o mixer ad alta forza di taglio, o [[mulino a biglie]] ecc. Tali processi creano all'interno del liquido sia forze di taglio che [[cavitazione]] che causano la rottura dei cristalli di grafite secondo il piano basale, riducendoli a fogli sempre più sottili e, idealmente, singoli fogli di grafene. La sospensione risultante dal processo è poi purificata con [[Ultracentrifuga|ultracentrifugazione]]. Tale metodo risulta uno dei più promettenti dal punto di vista della scalabilità, e permette di ottenere grandi quantità di ottimo grafene. Per contro, i fiocchi risultano piuttosto piccoli come dimensioni laterali.

=== [[Ossidoriduzione]] della [[grafite]] ===

Finora gli sforzi sono stati diretti soprattutto verso l'esfoliazione dell'ossido di grafite (GO), un materiale avente la stessa struttura lamellare della grafite nel quale però alcuni atomi di carbonio presentano legami con ossigeno sotto forma di [[Ossidrile|ossidrili]] (-OH) o di [[carbonili]] (C=O) o più raramente di [[Carbossilici|carbossili]], ed in cui la distanza tra gli strati di grafene aumenta a causa dell'ingombro dell'[[ossigeno]]. La sua natura fortemente idrofilica consente di ottenere, con l'utilizzo di onde acustiche ultrasoniche, l'[[intercalazione (chimica)|intercalazione]] (ovvero l'inclusione reversibile di molecole all'interno di altre molecole o gruppi) di molecole d'acqua e, conseguentemente, una pressoché completa esfoliazione (~90%) del materiale in strati monoatomici di GO. Il grafene ossido è però un materiale isolante in cui i legami con l'ossigeno devono essere scissi ed il carbonio ridotto per poter avere le stesse proprietà del grafene. Sono stati sperimentati con successo sia metodi di riduzione di tipo chimico (mediante idrazina N2H4, idrochinone, sodio boro idruro o anche vitamina C) che metodi termici o UV che hanno prodotto materiali con conducibilità nell'ordine dei 102 S cm-1.

=== Metodo chimico ===

Il grafene si ricava in laboratorio dalla [[grafite]]. I [[cristalli]] di grafite sono trattati con una soluzione fortemente [[acido|acida]] a base di [[acido solforico]] e [[acido nitrico|nitrico]] e poi [[ossidazione|ossidati]] ed [[esfoliazione|esfoliati]] fino a ottenere cerchi di grafene con [[gruppo carbossilico|gruppi carbossilici]] ai bordi. Mediante trattamento con [[cloruro di tionile]] (SOCl₂), queste molecole periferiche sono trasformate in [[cloruro acilico|cloruri acilici]] ([[alogenuri acilici]] composti da un [[acile]] e un atomo di [[cloro]]) e poi in [[ammidi]]. Il risultato è un [[cerchio]] di grafene [[solubilità|solubile]] in [[tetraidrofurano]], [[tetracloruro di carbonio|tetraclorometano]] e [[1,2-dicloroetano|dicloroetano]].

=== Altri metodi ===

* Crescita epitassiale su [[carburo di silicio]]

* Crescita epitassiale su substrati metallici

* Crescita da fusione di carbonio-metallo

* [[Pirolisi]] dell'[[etossido di sodio]]

* Da nanotubi di carbonio

* Metodo di riduzione del [[diossido di carbonio]]

== Struttura atomica ==

Il grafene ha una struttura composta da celle esagonali.

== Proprietà ==

=== Proprietà elettroniche ===

Il grafene è utilizzato come componente principale di un particolare tipo di batterie chiamate “batterie al grafene”. Le applicazioni di queste batterie si sono man mano estese in diversi settori, specialmente in quello dei dispositivi mobili come cellulari e tablet, anche se non hanno ancora sotituito del tutto le batterie al litio. Il loro utilizzo si riscontra anche nel modellismo dinamico, in particolare come sistema d’alimentazione per piccoli droni. Il grafene è un ottimo conduttore, e si pensa che sarà presto utilizzato in molti oggetti tecnologici.

=== Proprietà ottiche ===

Un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in grado di assorbire il 2.3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo spettro ottico. Per confronto, un film di silicio con lo stesso spessore assorbirebbe solo lo 0.03% della luce.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=R. R.|cognome=Nair|data=2008-06-06|titolo=Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene|rivista=Science|volume=320|numero=5881|pp=1308–1308|lingua=en|accesso=2016-11-05|doi=10.1126/science.1156965|url=http://science.sciencemag.org/content/320/5881/1308|nome2=P.|cognome2=Blake|nome3=A. N.|cognome3=Grigorenko}}</ref>

=== Proprietà termiche ===

Il grafene è un ottimo conduttore termico anche se il carbonio, essendo un non metallo, di per sé non conduce il calore. Il grafene acquista questa proprietà per le interazioni realizzate nella macromolecola, come accade per la grafite, forma allotropica del carbonio, che riesce a condurre l'energia termica e che, sfogliata in strati omogenei connessi monoatomici, dà appunto il grafene.

=== Proprietà meccaniche ===

{{S sezione|materiali}}

Il grafene è il materiale più sottile al mondo ed è praticamente trasparente (97.7% della luce), ma nonostante questo è il materiale conosciuto più resistente al mondo e al contempo molto flessibile. Ha un carico di rottura di 130 Gpa e un modulo di elasticità di circa 1 TPa e può essere stirato fino al 20% della sua lunghezza. Secondo i suoi scopritori vincitori del premio nobel nel 2010 un singolo foglio di grafene (quindi un foglio alto 1 atomo) largo 1 metro quadro sarebbe capace di sostenere il peso di un gatto di 4 kg, pesare 0,7 mg ed essere virtualmente invisibile.

== Utilizzi e potenziali applicazioni ==

Il grafene, come conduttore, è oggetto di intensi programmi di studio per utilizzarlo nei sistemi a [[semiconduttori]]. Nel [[2010]] un gruppo della [[IBM]] ha realizzato un [[transistor]] al grafene con una frequenza di funzionamento massima di 100&nbsp;GHz e lunghezza del gate di 240 [[Nanometro|nm]]; Nel [[2011]], l'IBM ha realizzato un transistor dello stesso materiale con una frequenza di 155&nbsp;GHz<ref>{{cita web|url=http://www.businessmagazine.it/news/ibm-sperimenta-un-transistor-in-grafene-da-155ghz_36262.html|titolo=IBM sperimenta un transistor in grafene da 155GHz|data=11 aprile 2011|editore=Business Magazine}}</ref> e lunghezza del gate di 40 [[Nanometro|nm]]. Nel 2010, all'[[UCLA]], un altro test con il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor raggiungendo i 300&nbsp;GHz. Analoghi transistor all'[[arseniuro di gallio]] hanno una frequenza massima di 40&nbsp;GHz.<ref>{{cita web|url=http://www.hwupgrade.it/news/cpu/ibm-dimostrazione-di-un-transistor-in-grafene-da-100ghz_31539.html|titolo=IBM: dimostrazione di un transistor in grafene da 100GHz|data=8 febbraio 2010|accesso=9 febbraio 2010|editore=Hardware Upgrade}}</ref> Una delle principali applicazioni dei materiali in grafene, già disponibili a livello industriale, riguarda i [[Nanocomposito|nanocompositi]] polimerici, ottenuti incorporando grafene (come nano-carica) nella matrice polimerica di base.<ref>{{Cita web|url=http://www.chimica.unipd.it/enzo.menna/docs/grafeneNanocoat2016.pdf|titolo=Le potenzialità di impiego del grafene in ambito industriale|autore=T. Gatti, N. Vicentini, E. Menna|editore=Innova FVG - Progetto NANOCOAT}}</ref>

=== Circuiti integrati ===

{{...}}

=== Rilevazione di molecole di gas ===

Il grafene è capace di immagazzinare idrogeno: se deformato, forma delle "creste", e l'idrogeno tende a accumularsi sulle punte di tali creste. Per rilasciare il gas è necessario eliminare la deformazione del grafene, in modo che l'idrogeno sia espulso dalle creste. Tali risultati sono frutto del lungo lavoro messo in atto dall'''Adanascelo team'' nell'isola di Hokkaido, in Giappone.

=== Punti quantistici ===

{{...}}

=== Moltiplicatore di frequenza ===

{{...}}

=== Modulatore ottico ===

{{...}}

=== Ultracapacitori ===

{{...}}

=== Illuminazione ===

Alcuni ricercatori della [[Columbia Engineering]] hanno realizzato una lampadina miniaturizzata, capace di emettere luce grazie a un filamento incandescente di grafene, analogamente a quanto avviene nelle comuni lampadine con filamento di [[tungsteno]]. Per ottenere questo risultato gli scienziati hanno applicato dei piccoli elettrodi metallici su strisce di grafene invisibili ad occhio nudo. Quando nel circuito passa corrente elettrica, il grafene si riscalda fino a 2500&nbsp;°C emettendo luce visibile. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista ''Nature Nanotechnology'' nel 2015.

=== Desalinizzazione ===

Un esperimento di [[osmosi inversa]] è stato condotto negli [[Stati Uniti]] dai ricercatori del [[Massachusetts Institute of Technology]]. "La struttura molecolare peculiare del grafene consente di creare fori di qualsiasi dimensione sulla sua superficie. Questo ha permesso di far passare l'acqua da una parte e i sali dall'altra dello strato", esattamente come accade in una comune osmosi inversa a membrane.

=== Tennis ===

Il grafene è stato applicato per la prima volta nel [[tennis]] nel 2012 con la creazione di una [[racchetta]] nella quale fu aggiunto un innesto in grafene al cuore della racchetta, per rendere tale zona più leggera e dinamica e potendo così aggiungere peso al manico e in testa alla racchetta.

=== Ciclismo ===

L'azienda italiana Vittoria utilizza questo materiale nella mescola delle gomme per assicurare maggiore aderenza, maggiore velocità, maggiore resistenza alle forature e più resistenza in generale. Dopo svariate ricerche e test, si è notato che le molecole di grafene, essendo estremamente sottili, riescono a riempire lo spazio vuoto che separa le molecole di gomma. Di conseguenza, il grafene agisce come un magnete: infilandosi tra le molecole di gomma, crea di fatto un legame con le stesse e le tiene più unite. Vittoria ha ottenuto risultati straordinari anche con l’applicazione del grafene alle ruote. Proprio come negli pneumatici, anche nelle ruote il grafene agisce come magnete integrandosi con il carbonio di cui sono fatte. Essendo estremamente sottile, il grafene si stratifica negli spazi che dividono le molecole di carbonio e crea un legame con esse. Ne consegue che le caratteristiche del carbonio in termini di rigidità laterale della ruota, resistenza agli urti, riduzione del peso e dissipazione del calore migliorano esponenzialmente. Inoltre, il carbonio impreziosito dal grafene, consente alle ruote di resistere a pressioni di gonfiaggio di copertoni tubeless molto più elevate di prima e di resistere ancor meglio alle frenate più brusche, in qualsiasi condizione.<ref>{{Cita news|lingua=en|url=https://www.vittoria.com/eu/graphene-technology|titolo=Vittoria Graphene technology|pubblicazione=Vittoria|accesso=2018-08-26}}</ref>

== Progetti di sviluppo ==

Nel gennaio 2013 il progetto ''Graphene''<ref>[http://www.graphene-flagship.eu Il sito del progetto ''Graphene'']</ref> (insieme al progetto ''[[Human Brain Project]]'') è stato selezionato dalla [[Commissione europea]] tra i [[FET Flagships]], i ''progetti faro'' di [[ricerca e sviluppo]] promossi dall'[[Unione europea]]<ref>[[Nicola Nosengo]], [http://www.treccani.it/magazine/piazza_enciclopedia_magazine/tecnologia/ecco_le_tecnologie.html ''Ecco le tecnologie (europee) del futuro''], 25 gennaio 2013, dal sito dell'[[Istituto dell'Enciclopedia italiana Treccani]]</ref>: scelti da una rosa di sei candidati<ref name="H. Makram, 46">[[Henry Markram]], ''[http://www.lescienze.it/archivio/articoli/2012/08/01/news/il_progetto_cervello_umano-1172316/ Il Progetto cervello umano]'', ''[[Le Scienze]]'', agosto 2012, p. 46</ref>, i due progetti beneficeranno di un sostegno finanziario di 1 miliardo di euro lungo dieci anni.

== Tossicità ==

La tossicità del grafene è stata discussa ampiamente nella letteratura scientifica. La raccolta più ampia riguardo alla tossicità del grafene riepiloga gli effetti ''in vitro'', ''in vivo'', antimicrobici e ambientali di questa sostanza ed evidenzia i vari meccanismi della tossicità del grafene stesso, che dipende da fattori come forma, dimensione, purezza della sostanza, fasi lavorative della post-produzione, stato ossidativo, gruppi funzionali, stato di dispersione, metodi di sintesi, dose di somministrazione e tempi di esposizione. <ref>{{cita pubblicazione|autore=Lalwani, Gaurav; D'Agati, Michael; Mahmud Khan, Amit; Sitharaman, Balaji|anno=2016|mese=ottobre|titolo="Toxicology of graphene-based nanomaterials".|rivista=[[Advanced Drug Delivery Reviews]]|volume=105|numero=109-144|lingua=en|accesso=30 agosto 2015|doi=10.1016/j.addr.2016.04.028|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5039077/|etal=si}}</ref>

I nanonastri, le nanopiastrine e le nano-cipolle di grafene non sono tossiche fino alla concentrazione di 50 µg/ml. Queste nanoparticelle non alterano la differenziazione delle cellule staminali del midollo osseo in osteroblasti o adipociti, suggerendo che a basse dosi le nanoparticelle di grafene sono sicure per eventuali applicazioni biomediche. Dei cristalli di grafene multistrati dello spessore di 10 µm sono stati capaci di perforare le membrane cellulari in soluzione: una ricerca della [[Brown University]] descrive la potenziale tossicità del grafene: intaccherebbe e danneggerebbe le cellule umane per via della sua natura bidimensionale, soprattutto quando finemente frammentata, come è anche stato segnalato per i [[Fullerene|fullereni]].<ref>{{Cita news|autore=Valerio Porcu|url=http://www.tomshw.it/cont/news/il-grafene-e-tossico-attacca-le-cellule-e-le-danneggia/47679/1.html|titolo=Il grafene è tossico, attacca le cellule e le danneggia|pubblicazione=Tom's Hardware|data=16 luglio 2013|accesso=2017-04-04|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20150914102441/http://www.tomshw.it/news/il-grafene-%C3%A8-tossico-attacca-le-cellule-e-le-danneggia-49711|dataarchivio=14 settembre 2015|urlmorto=sì}}</ref>. Gli effetti fisiologici del grafene rimangono incerti, e questo rimane un campo inesplorato.

== Note ==

<references />

== Curiosità ==

{{Curiosità}}

* Nel quattordicesimo episodio della terza stagione della serie TV "The Big Bang Theory" intitolato "The Einstein Approximation", Sheldon Cooper si sforza (fino all'ossessione) di capire perché gli elettroni si comportano come se fossero privi di massa quando si muovono in un foglio di grafene.

== Voci correlate ==

* [[Carbyne]]

* [[Fullerene]]

* [[Germanene]]

* [[Grafano]]

* [[Grafino]]

* [[Hanns-Peter Boehm]]

* [[Nanoribbon di grafene]]

* [[Nanotubo di carbonio]]

* [[Ossido di grafite]]

* [[Premio Nobel per la fisica]] [[2010]]

* [[Silicene]]

* [[Graphene Flagship]]

== Altri progetti ==

{{Interprogetto|etichetta=grafene|wikt|commons=Category:Graphene}}

== Collegamenti esterni ==

* {{Cita web|url=http://www.graphene-info.com/|titolo=Graphene Info {{!}} The Graphene Experts|sito=www.graphene-info.com|lingua=en|accesso=2017-04-04}}

<!--* {{cita web|http://www.princeton.edu/~pccm/outreach/REU2006/REU2006Presentations/moskowitz.pdf|Un documento PDF dell'Università di Princeton sul grafene|lingua=en}}

* {{cita web|http://www.ampletech.net/news/tecnologia/909/grafene-batteri-il-futuro-dei-pc.html|Notizia sull'impiego del grafene nella produzione di computer}}-->

* {{cita web|http://www.rai.tv/dl/RaiTV/programmi/media/ContentItem-990ead11-b2d0-4996-86f8-3dd1dc80221f.html|Servizio della trasmissione televisiva Superquark sul grafene}}

* {{Thesaurus BNCF}}

* {{Cita news|autore=Massimiliano Razzano|url=http://www.repubblica.it/scienze/2012/04/18/news/grafene-32322590|titolo=Le sorprese del grafene il "materiale delle meraviglie"|pubblicazione=La Repubblica|giorno=18|mese=aprile|anno=2012|accesso=19 aprile 2012}}

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