Nel 2004, due scienziati dell'Università di Manchester hanno condotto un esperimento apparentemente semplice con conseguenze potenzialmente in grado di cambiare il mondo. I ricercatori, Andre Geim e Konstantin Novoselov, stavano giocando con la grafite, la roba nella punta della tua matita . La grafite è composta da sottilissimi fogli di puro carbonio impilati l'uno sull'altro. Geim e Novoselov volevano vedere se potevano isolare un singolo foglio di grafite, uno strato di carbonio incredibilmente sottile che misurava solo un atomo di spessore.
Quindi, hanno preso un rotolo di nastro adesivo. Sì, lo stesso nastro trasparente nell'applicatore di plastica che tieni nel cassetto della spazzatura. Ecco come Geim ha descritto la sua tecnica , come riportato dalla BBC.
Il metodo del nastro adesivo ha funzionato! Isolando un foglio di carbonio a strato singolo, a Geim e Novoselov è stato attribuito il merito di aver scoperto un materiale nuovo di zecca chiamato grafene che ora è ritenuto la sostanza più forte, leggera ed elettricamente conduttiva sulla Terra.
Nel 2010, Geim e Novoselov hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica per la scoperta del grafene e ricercatori di tutto il mondo hanno iniziato a chiedere a gran voce come utilizzare questo straordinario "supermateriale" per costruire batterie più potenti e durature, microchip più veloci, circuiti flessibili, biosensori impiantabili e altro ancora. Un decennio dopo, il grafene deve ancora mantenere le sue tanto ambite promesse, ma gli addetti ai lavori sono fiduciosi che nei prossimi anni vedremo finalmente smartphone, auto elettriche e sensori che utilizzano la tecnologia basata sul grafene.
Perché il grafene è un supermateriale?
Misurando con uno spessore di un solo atomo, un foglio di grafene controlla tutte le scatole di un supermateriale:
- Il grafene è 200 volte più resistente dell'acciaio in peso.
- È 1.000 volte più leggero della carta.
- È trasparente al 98%.
- Conduce l'elettricità meglio di qualsiasi altro materiale noto a temperatura ambiente.
- Può convertire la luce a qualsiasi lunghezza d'onda in una corrente.
- E, ultimo ma non meno importante, il grafene è costituito dal carbonio, il quarto elemento più abbondante dell'universo, quindi è improbabile che si esaurisca
Il grafene trae i suoi superpoteri dalla sua struttura . Se potessi ingrandire abbastanza 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 in modo covalente ad altri tre elementi di carbonio, il che conferisce al materiale la sua incredibile forza.
Perché il grafene conduce l'elettricità così bene? Ancora una volta, 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 questi 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, il che gli consente di trasmettere cariche elettriche attraverso il foglio di grafene quasi senza resistenza. In effetti, il grafene è il conduttore di elettricità a temperatura ambiente più veloce di qualsiasi sostanza conosciuta.
L '"angolo magico"
Una recente scoperta potrebbe aggiungere un altro superpotere all'elenco dei vanti del grafene. Un team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) stava sperimentando con il grafene a doppio strato - due strati di grafene a singolo atomo impilati insieme - quando si è imbattuto in una nuova proprietà quasi magica del grafene. Quando gli strati vengono ruotati leggermente fuori linea l'uno rispetto all'altro - uno spostamento esattamente di 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 inviato onde 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.
In che modo il grafene potrebbe trasformare la tecnologia?
La superconduttività è ancora lontana decenni, ma i prodotti rivoluzionari a base di grafene stanno arrivando sul mercato molto prima, afferma Andrea Ferrari, professore di nanotecnologie e direttore del Cambridge Graphene Center .
"Entro il 2024, ci sarà una varietà di prodotti al grafene sul mercato", afferma Ferrari, "tra cui 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 la carica 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 quando si carica o scarica l'elettricità. Le batterie a base di grafene promettono velocità di ricarica cinque volte superiori rispetto agli ioni di litio, una durata della batteria tre volte maggiore e un numero di cicli cinque volte superiore prima di dover essere sostituite.
Aziende di elettronica come Samsung e Huwei stanno attivamente sviluppando 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 raggio di guida, mancano ancora alcuni anni. Un intero settore è stato costruito sulla tecnologia agli ioni di litio e non cambierà dall'oggi al domani.
"L'industria delle batterie è molto conservatrice", afferma Jesus de la Fuente, CEO di Graphanea , un'azienda che produce e vende chip a base di grafene puro e grafene a ricercatori accademici e dipartimenti di ricerca e sviluppo. "Potrebbe cambiare la composizione delle batterie alcune volte ogni cinque o dieci anni, il che rende molto difficile l'introduzione di 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 quelli sono solo la punta dell'iceberg, afferma Ferrari, che è anche il responsabile scientifico e tecnologico della Graphene Flagship , una collaborazione da 1 miliardo di euro dell'Unione Europea per accelerare lo sviluppo della tecnologia del grafene. I partner di ricerca di Flagship stanno già producendo batterie al grafene che superano le migliori celle ad alta energia di oggi del 20% di capacità e del 15% 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.
Altri usi del grafene
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 di grafene che invia segnali avanti e indietro al cervello per rilevare un attacco epilettico imminente o addirittura prevenirlo. I sensori sottili ed estensibili possono anche essere indossati sulla pelle o intrecciati nel tessuto dei vestiti.
La fotonica è un altro campo che sta già incorporando il grafene. Integrando il grafene nei chip fotosensibili, le 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 le 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% del 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. In effetti, è ugualmente entusiasta delle proprietà ancora sconosciute degli altri 2.000 stimati materiali monostrato che vengono anche isolati, con il metodo del nastro adesivo o altro.
"Diciamo grafene, ma stiamo davvero parlando di un gran numero di opzioni che vengono esplorate", afferma Ferrari. "Le cose si stanno muovendo nella giusta direzione".
Ora è fantastico
Il 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% più leggera delle racchette con lo stesso peso oscillante.
