Grafene: differenze tra le versioni
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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 Prize Museum]] di [[Stoccolma]] da [[Andrej Gejm]] e [[Konstantin Novosëlov]] nel [[2010]]]]
Il '''grafene''' è un [[Allotropia (chimica)|allotropo]] del carbonio costituito da un singolo strato di atomi di [[carbonio]] arrangiati in un reticolo [[Esagono|esagonale]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=A. K.|cognome=Geim|nome2=K. S.|cognome2=Novoselov|data=2007-03|titolo=The rise of graphene|rivista=Nature Materials|volume=6|numero=3|pp=183-191|lingua=en|accesso=2023-12-02|doi=10.1038/nmat1849|url=https://www.nature.com/articles/nmat1849}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=N. M. R.|cognome=Peres|nome2=Ricardo M.|cognome2=Ribeiro|data=2009-09|titolo=Focus on Graphene|rivista=New Journal of Physics|volume=11|numero=9|p=095002|lingua=en|accesso=2023-12-02|doi=10.1088/1367-2630/11/9/095002|url=https://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/11/9/095002}}</ref> La parola deriva da "[[grafite]]" a cui è stato aggiunto il suffisso -ene, riflettendo il fatto che tecnicamente si tratta di un enorme [[Alcheni|alchene]], per la precisione, un enorme foglio di [[Benzene|benzeni]] condensati.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Ivan A.|cognome=Popov|nome2=Konstantin V.|cognome2=Bozhenko|nome3=Alexander I.|cognome3=Boldyrev|data=2012-02|titolo=Is graphene aromatic?|rivista=Nano Research|volume=5|numero=2|pp=117-123|lingua=en|accesso=2023-12-02|doi=10.1007/s12274-011-0192-z|url=http://link.springer.com/10.1007/s12274-011-0192-z}}</ref>
Ciascun atomo di carbonio è connesso ai tre contigui tramite [[Legame σ|legami σ]] e [[Legame π|legami π]] delocalizzati, il che contribuisce a rendere il grafene una delle molecole più conduttive conosciute. Ha la resistenza teorica 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 =|urlarchivio =https://web.archive.org/web/20140914044914/http://scienza.panorama.it/Avanza-la-rivoluzione-del-grafene-materiale-delle-meraviglie|dataarchivio =14 settembre 2014|urlmorto =sì}}</ref>
Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (come la 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]].
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>
Trattandosi di un prodotto innovativo di recente creazione non ancora normato, sono allo studio valutazioni sugli eventuali impatti ambientali e tossicologici della diffusione industriale del materiale.<ref>Luca Beverina, ''Futuro materiale'', 2020, il Mulino, Bologna, ISBN 978 88 15 28669 7</ref>
== Descrizione ==
Gli atomi sono ibridati nella forma ''sp''², e si dispongono quindi a formare [[esagono|esagoni]] con [[angolo|angoli]] di 120°<ref>{{Cita web|url=http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/12784|titolo=Estudo da estrutura eletrônica do grafeno e grafeno hidratado|lingua = pt}}</ref>.
La distanza tra gli atomi nel reticolo è di 0,1418 nm mentre la distanza tra i piani è di 0,3347 nm.
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.
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 [[Unione internazionale di chimica pura e applicata|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 a 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 sé 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 a un substrato isolante. L'esfoliazione meccanica è il metodo più semplice e 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 a un solvente dotato delle opportune qualità fisiche come viscosità, tensione superficiale, ecc. (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 sia di [[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]]zione. 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.
=== Riduzione dell'ossido di grafene (RGO) ===
Finora gli sforzi sono stati diretti soprattutto verso l'esfoliazione dell'ossido di grafite e successiva riduzione a grafene.
L'ossido di grafite è un materiale avente la stessa struttura lamellare della grafite nel quale però alcuni atomi di carbonio presentano legami con ossigeno sotto forma di ossidrili (-OH) o di carbonili (C=O) o più raramente di [[Carbossilici|carbossili]], e in cui la distanza tra gli strati di grafene aumenta a causa dell'ingombro dell'[[ossigeno]]. La sua natura fortemente idrofila 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 ossido di grafene (GO).
Il grafene viene successivamente sintetizzato per riduzione del grafene ossido.
Sono stati sperimentati con successo sia metodi di riduzione di tipo chimico (mediante idrazina N2H4, idrochinone, sodio boro idruro o anche vitamina C) sia metodi termici o UV che hanno prodotto materiali con conducibilità nell'ordine dei 102 S/cm.
La sintesi chimica del grafene, via riduzione dell’ossido di grafene, è una metodologia che ha il vantaggio di avere rese elevate e ampie possibilità di realizzare il processo su grande scala. La qualità del prodotto da sintesi chimica è però piuttosto scarsa, per effetto di una parziale riduzione del GO e di abbondanza di difetti del reticolo cristallino, il che rende il prodotto maggiormente adatto ad applicazioni che non richiedano strettamente un grafene qualitativo, come ad esempio l’utilizzo nei compositi polimerici.
=== 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]] (SOCl<sub>2</sub>), 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 per segregazione del carbonio da leghe carbonio-metallo
Nel 2025 è stato pubblicato un paper relativo alla produzione di grafene all'interno di un substrato poroso dal quale viene estratto facilmente senza formare pieghe o imperfezioni, raggiungendo la conducibilità elettrica e termica teoriche. Il grafene si sviluppa un tasso di 6.2 strati al secondo, 20 volte superiore a quello delle altre applicazioni tradizionali note.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Liyuan|cognome=Zhang|nome2=Meihui|cognome2=Wang|nome3=Dongho|cognome3=Jeon|data=2025-08-12|titolo=Synthesis and properties of mirror-like large-grain graphite films|rivista=Nature Communications|volume=16|numero=1|pp=7180|lingua=en|accesso=2025-08-15|doi=10.1038/s41467-025-62227-6|url=https://www.nature.com/articles/s41467-025-62227-6}}</ref><ref>{{Cita web|lingua=it|url=https://www.ansa.it/canale_scienza/notizie/fisica_matematica/2025/08/13/-realizzato-un-grafene-da-record-pronto-per-chip-o-batterie_2fc1a493-4fa5-4f23-9198-d7ee4861528a.html|titolo=Realizzato un grafene da record, pronto per chip o batterie - Fisica e Matematica - Ansa.it|sito=Agenzia ANSA|data=2025-08-13|accesso=2025-08-15}}</ref>
== Struttura atomica ==
Il grafene ha una struttura composta da un [[reticolo esagonale]] a nido d'ape dove i singoli [[atomi di carbonio]] sono legati tramite legami covalenti.
== Proprietà ==
=== Proprietà elettroniche ===
Il grafene si comporta come un [[semiconduttore]] a Gap nullo. La sua particolare struttura elettronica fa sì che possa comportarsi sia come semiconduttore P sia come semiconduttore N in assenza di drogaggio, per mero controllo elettronico (gating). Altri impieghi sono nelle celle solari, nelle batterie a flusso e nelle batterie agli ioni di litio. Nel 2016 sono state immesse sul mercato batterie a ioni di litio cosiddette "al grafene" che utilizzerebbero grafene come materiale anodico. Bisogna tuttavia rilevare come l'assenza di norme internazionali che definiscano cosa può o non può essere chiamato grafene fa sì che molti prodotti "al grafene" utilizzino semplicemente grafiti micronizzate.
Se due strati di grafene individuali sono accoppiati in un angolo specifico, il sistema mostra la [[superconduttività]] ed effetti quantistici come il [[magnetismo]].<ref>{{cita web|url=https://phys.org/news/2022-08-unexpected-quantum-effects-natural-double-layer.amp|titolo=Unexpected quantum effects in natural double-layer graphene|autore=[[Università di Gottinga]]|data=15 agosto 2022}}</ref>
=== 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=6 giugno 2008|titolo=Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene|rivista=Science|volume=320|numero=5881|pp=1308-1308|lingua=en|accesso=5 novembre 2016|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, secondo solo al diamante, e molte applicazioni commerciali sfruttano questa caratteristica.
=== Proprietà meccaniche ===
{{S sezione|materiali}}
Il grafene è il materiale più sottile al mondo ed è praticamente trasparente (97,7% della luce). Ha un carico di rottura teorico 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. Il grafene, che teoricamente dovrebbe avere una notevole resistenza meccanica, pari a 4 volte la resistenza dell'acciaio<ref name="azonano.com">{{cita web|url=https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=6233|titolo=Are Graphene Batteries the Future?|data=20 settembre 2022|accesso=23 settembre 2022}}</ref>, è anche un materiale fragile [http://dx.doi.org/10.1038/ncomms4782] e questa fragilità, combinata con l'inevitabile presenza di difetti all'interno dei componenti quando se ne aumentano le dimensioni<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Dimitrios G.|cognome=Papageorgiou|data=1º ottobre 2017|titolo=Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites|rivista=Progress in Materials Science|volume=90|pp=75-127|accesso=3 luglio 2019|doi=10.1016/j.pmatsci.2017.07.004|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642517300968|nome2=Ian A.|cognome2=Kinloch|nome3=Robert J.|cognome3=Young}}</ref>, non consente di produrre fogli molto grandi di grafene né di produrre oggetti di grafene con valori di resistenza meccanica a trazione interessanti per applicazioni strutturali.
===MATBG e superconduttività===
Il grafene bistrato ruotato ad angolo magico (
magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG) attribuisce al materiale proprietà [[superconduttività|superconduttive]] uniche.<ref>{{Cita web|lingua=it-it|autore=HDblog.it|url=https://www.hdblog.it/tecnologia/articoli/n608101/scoperta-grafene-computer-quantistici/|titolo=Il grafene a doppio strato svela i segreti della superconduttività quantistica|sito=HDblog.it|data=2025-02-09|accesso=2025-02-10|urlarchivio =https://archive.is/wip/iIiPD|dataarchivio =10 febbraio 2025|urlmorto =no}}</ref><ref>{{Cita web|lingua=en|url=https://news.mit.edu/2025/physicists-measure-key-aspect-superconductivity-magic-angle-graphene-0205|titolo=Physicists measure a key aspect of superconductivity in “magic-angle” graphene|sito=MIT News {{!}} Massachusetts Institute of Technology|data=2025-02-05|accesso=2025-02-10}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=Miuko|cognome=Tanaka|nome2=Joel Î-j|cognome2=Wang|nome3=Thao H.|cognome3=Dinh|data=2025-02|titolo=Superfluid stiffness of magic-angle twisted bilayer graphene|rivista=Nature|volume=638|numero=8049|pp=99-105|lingua=en|accesso=2025-02-10|doi=10.1038/s41586-024-08494-7|url=https://www.nature.com/articles/s41586-024-08494-7}}</ref><ref>{{Cita web|lingua=en|autore=Ameya Paleja|url=https://interestingengineering.com/science/magic-angle-graphene-superconductivity-quantum-computing|titolo=US cracks ‘magic-angle’ graphene’s superconductivity properties|sito=Interesting Engineering|accesso=2025-02-10}}</ref><ref>{{Cita web|lingua=it|url=https://www.ansa.it/canale_scienza/notizie/energia/2025/02/19/dimostrata-la-superconduttivita-del-grafene-magico_f619dfc2-3254-4d51-9edf-c45491b7277c.html|titolo=Dimostrata la superconduttività del grafene 'magico' - Energia - Ansa.it|sito=Agenzia ANSA|data=2025-02-19|accesso=2025-02-20}}</ref>
Al suo interno non avviene la [[forza di Coulomb|repulsione elettromagnetica]] tra [[elettrone|elettroni]], ma formano un [[superfluido]] che può scorrere attraverso il materiale senza [[resistenza elettrica|resistenza]].
Il MATBG è caratterizzato da uno spessore fino a 100 volte più piccolo di quello dei superconduttori tradizionali.
Nel 2024 è stata misurata per la prima volta la [[rigidità superfluida]] ([[induttanza]] cinetica) di un materiale bidimensionale, risultata 10 volte superiore alle previsioni teoriche. Tale misura indica quanto facilmente le particelle possono muoversi per generare superconduttività. Il fenomeno è stato attribuito alla [[geometria quantistica]] del materiale.<ref>{{Cita web|url=https://arxiv.org/html/2406.13740v1|titolo=Kinetic Inductance, Quantum Geometry, and Superconductivity in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene|sito=arxiv.org|accesso=2025-02-10}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|titolo=APS -2024 APS March Meeting - Event - Probing Kinetic Inductance and Pairing Symmetries in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene (Part 1)|rivista=Bulletin of the American Physical Society|editore=American Physical Society|accesso=2025-02-10|url=https://meetings.aps.org/Meeting/MAR24/Session/W09.9}}</ref>
== 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 {{M|100|ul=GHz}} e lunghezza del gate di {{M|240|ul=nm}}. Nel [[2011]], l'IBM ha realizzato un transistor dello stesso materiale con una frequenza di {{M|155|u=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 {{M|40|u=nm}}. Nel 2010, all'[[UCLA]], un altro test con il grafene ha toccato il record di velocità di un transistor raggiungendo i {{M|300|u=GHz}}. Analoghi transistor all'[[arseniuro di gallio]] hanno una frequenza massima di 40 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 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|accesso=6 febbraio 2017|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20170207031444/http://www.chimica.unipd.it/enzo.menna/docs/grafeneNanocoat2016.pdf|dataarchivio=7 febbraio 2017|urlmorto=sì}}</ref> A settembre 2021 è stata avviata la prima produzione in serie di un'automobile elettrica con batteria al grafene<ref>{{Cita web|url=https://www.gazzetta.it/motori/mobilita-sostenibile/auto-elettriche/04-03-2021/auto-elettrica-con-batteria-grafene-che-si-ricarica-otto-minuti-4001040953405.shtml|titolo=L’auto elettrica (con batteria al grafene) che si ricarica in otto minuti|sito=La Gazzetta dello Sport|lingua=it-IT|accesso=2021-04-25}}</ref>.
Il grafene trova impiego nei [[supercondensatore|supercondensatori]] per i suoi tempi di ricarica dell'[[ordine di grandezza|ordine]] di pochi minuti. Poiché non ha una capacità di accumulo dell'energia pari a quella delle batterie agli ioni di litio, il supercondensatore è di solito accoppiato con accumulatori di altri materiali, come ad esempio l'[[alluminio]], che raggiungono {{formatnum:2000}} cicli di ricarica, un tempo di ricarica tra 1 e 5 minuti, e una [[densità di energia]] di 150-{{M|160|u=Wh/kg}} (e un limite teorico di {{formatnum:1050}}).<ref name="azonano.com" />
== Reticoli di grafene ==
Il grafene periodicamente impilato e il suo isomorfo isolante forniscono un elemento strutturale affascinante nell'implementazione di superreticoli altamente funzionali su scala atomica, che offre possibilità nella progettazione di dispositivi nanoelettronici e fotonici. Vari tipi di superreticoli possono essere ottenuti impilando il grafene e le sue forme correlate.<ref>{{cita pubblicazione|cognome1=Xu|nome1=Yang|cognome2=Liu|nome2=Yunlong|cognome3=Chen|nome3=Huabin|cognome4=Lin|nome4=Xiao|cognome5=Lin|nome5=Shisheng|cognome6=Yu|nome6=Bin|cognome7=Luo|nome7=Jikui|titolo=Ab initio study of energy-band modulation ingraphene-based two-dimensional layered superlattices|rivista=Journal of Materials Chemistry|volume=22|numero=45|p=23821|data=2012|doi=10.1039/C2JM35652J}}</ref> La banda di energia nei superreticoli sovrapposti a strati risulta essere più sensibile alla larghezza della barriera rispetto a quella nei superreticoli semiconduttori III – V convenzionali. Quando si aggiunge più di uno strato atomico alla barriera in ciascun periodo, l'accoppiamento delle funzioni d'onda elettroniche nei pozzi potenziali vicini può essere significativamente ridotto, il che porta alla degenerazione delle sottobande continue in livelli di energia quantizzata. Quando si varia la larghezza del pozzo, i livelli di energia nei pozzi potenziali lungo la direzione L-M si comportano in modo distinto da quelli lungo la direzione K-H.
Un superreticolo corrisponde a una disposizione periodica o quasi periodica di materiali diversi e può essere descritto da un periodo di super reticolo che conferisce una nuova simmetria traslazionale al sistema, influenzando le loro dispersioni di fononi e di conseguenza le loro proprietà di trasporto termico. Recentemente, strutture monostrato uniformi di grafene-hBN sono state sintetizzate con successo tramite schemi litografici accoppiati con deposizione chimica da vapore (CVD).<ref>{{cita web|cognome1=Liu |nome1=Zheng |cognome2=Ma |nome2=Lulu |cognome3=Shi |nome3=Gang |cognome4=Zhou |nome4=Wu |cognome5=Gong |nome5=Yongji |cognome6=Lei |nome6=Sidong |cognome7=Yang |nome7=Xuebei |cognome8=Zhang |nome8=Jiangnan |cognome9=Yu |nome9=Jingjiang |cognome10=Hackenberg |nome10=Ken P. |cognome11=Babakhani |nome11=Aydin |cognome12=Idrobo |nome12=Juan-Carlos |cognome13=Vajtai |nome13=Robert |cognome14=Lou |nome14=Jun |cognome15=Ajayan |nome15=Pulickel M. |titolo=In-plane heterostructures of graphene and hexagonal boron nitride with controlled ___domain sizes |url=https://www.nature.com/articles/nnano.2012.256 |sito=Nature Nanotechnology |pp=119-124 |lingua=en |doi=10.1038/nnano.2012.256 |data=febbraio 2013}}</ref> Inoltre, i superreticoli di grafene-hBN sono sistemi modello ideali per la realizzazione e la comprensione del trasporto termico dei fononi coerente (ondulatorio) e incoerente (particellare).<ref>{{cita web|cognome1=Felix |nome1=Isaac M. |cognome2=Pereira |nome2=Luiz Felipe C. |titolo=Thermal Conductivity of Graphene-hBN Superlattice Ribbons |url=https://www.nature.com/articles/s41598-018-20997-8 |sito=Scientific Reports |p=2737 |lingua=en |doi=10.1038/s41598-018-20997-8 |data=9 febbraio 2018}}</ref><ref>{{cita web|cognome1=Félix |nome1=Isaac de Macêdo |titolo=Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN |url=https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/30749 |lingua=pt-BR |data=4 agosto 2020}}</ref>
=== Rilevazione di molecole di gas ===
Il grafene è capace di immagazzinare idrogeno: se deformato, forma delle "creste", e l'idrogeno tende ad 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.
=== 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 a occhio nudo. Quando nel circuito passa corrente elettrica, il grafene si riscalda fino a {{M|2500|u=°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 d'America|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.
=== Infrastrutture ===
Nel 2019 a [[Bergamo]] è stata realizzata la prima strada italiana a base di grafene sfruttando il rifacimento di una carreggiata preesistente. Il tratto di strada è lungo circa {{M|1|u=km}} e costituito da un supermodificante a base di grafene, che permette di aumentare notevolmente la vita utile dell'opera, mischiato ad una plastica dura e malleabile.<ref>{{Cita news|autore=|url=https://www.bergamonews.it/2019/10/01/a-bergamo-la-prima-strada-al-grafene-in-una-citta/328567/|titolo=A Bergamo la prima strada al grafene in una città|pubblicazione=bergamonews.it|data=}}</ref>
=== 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|data=|accesso=16 maggio 2020|dataarchivio=25 settembre 2020|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20200925172453/https://www.vittoria.com/eu/graphene-technology|urlmorto=sì}}</ref>
== Progetti di sviluppo ==
Nel gennaio 2013 il [[Graphene Flagship|progetto ''Graphene'']]<ref>{{Cita web|url=https://graphene-flagship.eu:443/|titolo=Graphene Flagship|sito=graphene-flagship.eu|lingua=en|accesso=16 maggio 2020}}</ref> (insieme con il 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''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130127041252/http://www.treccani.it/magazine/piazza_enciclopedia_magazine/tecnologia/ecco_le_tecnologie.html |data=27 gennaio 2013 }}, 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 un miliardo di euro per la durata di 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 osteoblasti o adipociti, suggerendo che a basse dosi le nanoparticelle di grafene sono sicure per eventuali applicazioni biomediche. Dei cristalli di grafene multistrato dello spessore di 10 µm (con queste dimensioni sarebbe più corretto chiamarli microcristalli di grafite) 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 frammentato, 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=4 aprile 2017|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 />
== Voci correlate ==
* [[Carbonio]]
* [[Fullerene]]
* [[
* [[Grafano]]
* [[Grafino]]
* [[Graphene Flagship]]
* [[Grafite]]
* [[Hanns-Peter Boehm]]
* [[Nanoribbon di grafene]]
* [[Nanotubo di carbonio]]
* [[Ossido di grafite]]
* [[Premio Nobel per la fisica]] [[2010]]
* [[
* [[Bismutene]]
* [[Twistronica]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto|wikt|preposizione=sul}}
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{Cita web|url=http://www.graphene-info.com/|titolo=Graphene Info {{!}} The Graphene Experts|sito=www.graphene-info.com|lingua=en|accesso=4 aprile 2017}}
<!--* {{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 | 1 = http://www.rai.tv/dl/RaiTV/programmi/media/ContentItem-990ead11-b2d0-4996-86f8-3dd1dc80221f.html | 2 = Servizio della trasmissione televisiva Superquark sul grafene | accesso = 15 agosto 2011 | urlarchivio = https://web.archive.org/web/20130629055402/http://www.rai.tv/dl/RaiTV/programmi/media/ContentItem-990ead11-b2d0-4996-86f8-3dd1dc80221f.html | dataarchivio = 29 giugno 2013 | urlmorto = sì }}
* {{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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