L’anima segreta delle matite

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Sapevate che l’Unione Europea ha investito 1 miliardo di euro su le mine delle matite?
ST122000No, non è l’ennesimo disastro economico o bufala lanciata solo per fare scalpore, ma un avanzato campo di ricerca dell’ingegneria dei materiali è strettamente legato proprio alla grafite, il materiale di cui sono fatte le matite. Stiamo parlando del grafene, una particolare forma (allotropica) del carbonio. Essa è costituita da uno strato spesso solo un atomo di celle esagonali di carbonio. Questo elemento si presenta puro sotto molte forme, a seconda di come gli atomi sono legati tra loro. Per esempio grafite e diamante sono fatti dello stesso materiale, eppure la grafite ha durezza 1 sulla scala Mohs mentre il diamante 10. Questo perché nel diamante ogni atomo forma legami covalenti (i più tosti e maschi che esistano) con tutti gli altri e in tutte le direzioni; ciò lo rende . La grafite è formata da fogli di carbonio a matrice esagonale (singolarmente molto resistenti) sovrapposti e tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals. Quindi la grafite non è altro che un insieme di fogli di grafene sovrapposti e da essa si può ricavare il nostro magico materiale.

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Ammirate la sua avanguardia

Infatti i suoi scopritori, Andrej Gejm e Konstantin Novoselov, per studiarlo lo sintetizzavano a partire da un blocco di grafite con uno strumento altamente scientifico e sofisticato: lo scotch. Proprio del normale scotch trasparente era applicato al blocco è poi strappato via, il nastro era poi ripiegato su sé stesso e riaperto varie volte e alla fine si ottenevano dei fiocchi di grafene di circa un micron quadrato che venivano asportati e studiati singolarmente. E pensare che per questo c’hanno vinto il Nobel

 

 

Successivamente questi due e a149ee9f-175a-44bb-aee6-9349ad0e8530altri cervelloni hanno presentato all’ UE il progetto Graphene Flagship che ha vinto un finanziamento da capogiro: 1 miliardo di dollari per 10 anni di ricerca su proprietà, utilizzi e metodi di produzione del grafene. In effetti c’è da dire che è stato un investimento abbastanza pragmatico e relativamente a breve termine, ecco perché hanno potuto investire questa somma da capogiro: questi soldi ritorneranno e anche molto presto a mio parere.

La ricerca nel settore della produzione industriale è molto importante: attualmente i metodi di del grafene sono molto arretrati e proibitivi. Essi consistono nell’esfoliazione, tramite agenti chimici, della grafite, ma questo metodo non ci permette di produrne molta. Esso consiste, per chi si interessa un po’ di chimica, in un attacco con acidi forti alla grafite così da solubilizzarla. Questo processo ossida la grafite e la trasforma in grafite-ossido (la fantasia dei chimici non ha limiti); grazie a questi atomi di ossigeno la grafite interagisce molto meglio con l’acqua che riesce a dividere i singoli piani (ho omesso qualche reazione ma concettualmente si tratta di questo). Questo processo non crea piani di grafene pura ma piani che lungo il margine hanno atomi di ossigeno, ma nonostante questo, l’interno del piano resta puro e per questo mantiene praticamente tutte le sue proprietà. Attualmente anche con questo metodo non se ne possono produrre grandi quantità, ma è uno dei metodi più promettenti per la produzione industriale. L’Italia è all’avanguardia in questo settore, infatti in provincia di Como abbiamo il più grande stabilimento europeo per la produzione di questo materiale.

Graphene
Grafene

Vediamo alcune delle sue proprietà. Essendo spesso solo un atomo esso può essere considerato bidimensionale e la sua struttura a celle esagonali lo rende più resistente dell’acciaio e molto più leggero. La sua incredibile resistenza è dovuta al fatto che per strappare un foglio di grafene privo di imperfezioni è necessario rompere contemporaneamente una grandissima quantità di legami covalenti. Si crede che esso abbia ottime qualità di conduzione elettrica e termica dovute alla libertà nelle celle esagonali di alcuni elettroni che possono muoversi quasi liberamente in tutto il materiale. Le proprietà ottiche del grafene sembrano essere assolutamente fuori dal comune: esso per il suo spessore è incredibilmente opaco e si lascia attraversare da pochissima luce. Queste proprietà possono inoltre variare asseconda della tensione elettrica applicata al materiale stesso, e variano molto molto velocemente (si sta pensando di usarle nei laser a impulsi ultracorti). Tutte queste caratteristiche potrebbero essere molto utile, ma ancora non abbiamo neanche la certezza che il materiale si comporti veramente così: è molto, molto difficile misurare le caratteristiche elettriche e termiche di un agglomerato bidimensionale di atomi la cui superficie è in pratica quella di una cellula.

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Per questo il grafene va studiato e la ricerca in questo campo va finanziata, ma bisogna stare attenti a e prendere con le pinze tutte quelle notizie sensazionalistiche che ci dicono che fra 10 anni avremo un ascensore spaziale grazie a questo nuovo materiale magico.

Ricapitolando ha eccellenti proprietà ma se ne produce troppo poco per farci qualunque cosa. Alla sfiga non c’è mai fine ma noi con un po’ di industria porremo rimedio al peccato di fortuna: lo si può usare come carica. La carica, insieme alla matrice sono le due componenti che formano i materiali compositi. I materiali compositi sono materiali formati da più materiali semplici che, avendo proprietà diverse e complementari, vengono uniti per avere sia le une che le altre. L’esempio più semplice che mi viene in mente è il cemento armato. Il cemento ha un eccellente resistenza alla compressione, il ferro resiste bene alla trazione, molto meglio del cemento. Se li mettiamo insieme otteniamo una struttura che ha la resistenza dell’uno e dell’altro. In questo caso il cemento è la matrice mentre il ferro la carica. Ovviamente in questo modo una colonna acquista la resistenza del ferro contenendone un relativamente piccola quantità. Lo stesso si può fare con il grafene che è pensata ad oggi come un’ottima carica per materiali compositi creati ad hoc. Con i materiali compositi non si possono integrare soltanto le proprietà meccaniche, ma anche quelle ottiche ed elettriche, quindi tra qualche anno potremo forse vedere i primi compositi caricati con grafene.

Promettenti applicazioni si trovano in quel settore in cui le dimensioni non contano e anzi è gradito un altro grado di miniaturizzazione: l’elettronica. Il carbonio non è proprio come il silicio ovvero un semiconduttore puro ma può benissimo considerato come un semiconduttore con gap nullo. Ma bando ai tecnicismi inutili, semplicemente si può usare come un semiconduttore nell’elettronica se adeguatamente trattati (in gergo drogati). Solo che il grafene ha un eccezionale conducibilità elettrica il che è sempre buona cosa e inoltre ha un’ottima conducibilità termica. Quest’ultimo fattore non è da trascurare, significa che un transistor al grafene potrebbe dissipare calore molto meglio di uno normale, quindi se ne possono mettere tanti e più vicini e il vostro PC la smetterà di ventolare come un aereo al decollo con relativo boom sonico. Già accennate le applicazioni in optoelettronica: esso potrebbe essere utilizzato per pannelli fotovoltaici trasparenti tramite Celle di Grätzel o come già detto per particolari tipi di laser. L’optoelettronica in questo periodo è in pieno sviluppo e questo materiale potrebbe davvero fare la differenza in questo settore.

Fiduciosi nel progetto Graphene Flagship e nel suo miliardo di dollari sonanti non ci resta che aspettare gli sviluppi futuri di questo fantastico ma ancora misterioso materiale sperando che l’Italia continui a investire in questa ricerca e ad essere all’avanguardia nella produzione di grafene.

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4 thoughts on “L’anima segreta delle matite

    • Mattia Recchi il said:

      Vuoi sentire un idea folle? Io te la butto la però è veramente estrema… Leggi l’articolo.

  1. Giuliano L'Apostata il said:

    Scienziato dei miei stivali, comincia a studiare l’italiano invece della grafene. “Un idea” va con l’apostrofo! UN’IDEA By Giuly

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