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GRAFENE (Graphene) Rev. 01/02/2018

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Identità della sostanza: Nome chimico

Grafene

Identità della sostanza: Nome IUPAC

Grafene Definizione IUPAC “Uno strato singolo costituito da atomi di carbonio con struttura grafitica può essere considerato come l'elemento finale della serie di idrocarburi policiclici aromatici. Il termine grafene può essere usato per designare i singoli strati di carbonio all’interno dei composti di grafite. “Strato di grafene” è un termine utilizzato nel contesto della terminologia inerente il carbonio” “Pure &Appl. Chem., Vol. 66, No. 9, pp. 1893-1901, 1994. Printed in Great Britain (B 1994 IUPAC)”

“

Identità della sostanza: Numero CAS

1034343-98-0

Identità della sostanza: Formula molecolare

Cn

Identità della sostanza: Stato fisico

Solido cristallino

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Immagine

Proprietà Il grafene, una delle forme allotropiche del carbonio, è costituito da un unico strato di atomi di carbonio ordinati in una struttura bidimensionale di tipo esagonale (disposizione a nido d’ape). Fino ai primi anni del 2000 l’analisi sperimentale coinvolgeva solo gli allotropi tridimensionali, monodimensionali e zerodimensionali del carbonio (rispettivamente grafite, nanotubi, fullereni) e si considerava la forma bidimensionale (grafene), esclusivamente teorica. Nel 2004 però i fisici Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov della Manchester University riuscirono ad isolare un singolo strato di carbonio (grafene) e a trasferirlo su un altro substrato effettuando una caratterizzazione elettrica in grado di dimostrare le inusuali proprietà elettriche di questo materiale bidimensionale. Il grafene presenta proprietà chimico-fisiche superlative legate alla particolare struttura elettronica: gli elettroni di conduzione, a differenza di quanto accade in un cristallo tridimensionale, si comportano come particelle prive di massa e, in base alle leggi della meccanica quantistica relativistica, si muovono ad una velocità assimilabile a quella della luce. Il grafene ha un’elevata superficie specifica, é sottilissimo (106 volte più sottile di un capello umano), estremamente rigido e resistente (nell’ordine delle 100-300 volte più dell’acciaio), infinitamente leggero (circa 0,77 milligrammi al m2) ma essendo particolarmente denso risulta impermeabile anche all’elio, è flessibile come la plastica e trasparente come il vetro alla radiazione luminosa. A temperatura ambiente, questo materiale presenta un’eccellente conducibilità termica ed alta resistenza. Le proprietà elettriche ed elettroniche sono fuori del comune: la straordinaria mobilità dei portatori di carica supera di gran lunga la conducibilità elettrica del rame (Cu) e le caratteristiche del silicio (Si), di utilizzo ubiquitario in elettronica.

Processi produttivi

Le tecniche di produzione sono varie ma al momento non esiste un sistema efficace ed economicamente conveniente per fabbricare grandi fogli di grafene. L’esfoliazione meccanica è stato il primo processo produttivo ed anche se non è applicabile su scala industriale è tuttora il metodo più semplice e accessibile per l’ottenimento di fogli di grafene. Tale metodo è noto come “scotch-tape” perché inizialmente frammenti di grafite vennero staccati da un cristallo applicando del nastro adesivo. Reiterando questo procedimento più volte sugli stessi frammenti si ottennero strati sottilissimi (anche di 1 solo atomo), molto stabili a temperatura e pressione ambiente, che vennero successivamente trasferiti

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su un substrato di silice (SiO2) per essere esaminati con il microscopio ottico. L’esfoliazione chimica è un altro tipo di approccio per la preparazione del grafene. Si parte in questo caso dall’ossido di grafite, che ha una struttura stratificata come quella della grafite ed è caratterizzato dalla presenza di atomi di carbonio legati con ossigeno, sotto forma di idrossili (O-H) o di

carbonili (C=O). L’esfoliazione di circa il 90% del materiale in strati

monoatomici di ossido di grafite avviene mediante l’azione di ultrasuoni che portano all’inserimento di molecole d’acqua tra i piani. L'ossido di grafene è però un materiale isolante e pertanto i legami con l’ossigeno devono essere scissi e il carbonio ridotto per ottenere il grafene. I fiocchi di ossido di grafite vengono ridotti a grafite tramite esposizione ad idrazina (N2H4) ma va ricordato che tale processo comporta vapori di idrazina altamente tossici e ciò ne limita la produzione su larga scala. Tramite l’esfoliazione chimica si possono ricavare fogli di grafene in sospensione liquida, che vengono poi accorpati in un foglio più grande spruzzando il liquido su un supporto. In generale sia l’esfoliazione meccanica per via fisica che quella per via chimica portano ad un grafene multistrato con “difetti” produttivi non eliminabili. Tra gli altri processi per la produzione del grafene di sintesi troviamo poi la “Crescita per Deposizione su Substrato” (CVD), un metodo consigliato per una produzione su larga scala di grafene, e il “Plasma-enhanced chemical vapor deposition” (PECVD) che assicura una buona qualità di grafene e la “decomposizione termica su substrato”. E’ altresì possibile produrre nastri (ribbons) di grafene sia attraverso l’”apertura” di nanotubi con l’ottenimento di nastri mono/multistrato di grafene sia operando chimicamente ( i nastri di grafene si formano per deposizione termica su una superficie di Au). Matthew J. Allen, Vincent C. Tung, Richard B. Kaner “Honeycomb Carbon: A Review of Graphene” Chem. Rev. (2010) 110, 132–145

Pagina. 4646 da Nanoscale, 2015, 7, 4598–4810, The Royal Society of Chemistry 2015 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/nr/c4nr01600a#!divAbstract

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Categorie di prodotti

Il grafene presenta delle caratteristiche chimico-fisiche, meccaniche e tecnologiche che lo rendono appetibile in un gran numero di potenziali applicazioni: ciò ha incentivato l’industria a focalizzarsi sulla sua produzione e commercializzazione. Dal 2004 la ricerca sia pubblica che privata sul grafene ha, altresì, ricevuto un importante impulso con il lancio di grandi progetti di ricerca a livello mondiale ed europeo. In ambito EU ricordiamo che nel 2013 la Commissione Europea ha avviato il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu). Partendo da studi sul grafene (afferenti all’elettronica, alla spintronica, alla fotonica, plasmonica e meccanica) sono stati coinvolti più di 120 gruppi di ricerca sia accademici che industriali provenienti da 17 Stati Europei con un budget di 1.000 milioni di € per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene per incentivare la crescita economica e la creazione di nuovi posti di lavoro http://graphene-flagship.eu/ Il grafene ha un grande numero di applicazioni nell’ambito dell’ingegneria elettronica, della medicina, del household design.

Pagina. 4609 da Nanoscale, 2015, 7, 4598–4810, The Royal Society of Chemistry 2015 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/nr/c4nr01600a#!divAbstract

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Pagina. 4612 da Nanoscale, 2015, 7, 4598–4810, The Royal Society of Chemistry 2015 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/nr/c4nr01600a#!divAbstract

In un’ottica di sviluppo che abbraccia un arco di tempo trentennale a partire dal 2018, i settori applicativi più promettenti, in base alle eccezionali proprietà del grafene, sono i seguenti:

Prodotti per il comparto dell’elettronica

Il grafene ha la capacità di trasmettere circa il 98 % della luce incidente: è trasparente alla luce visibile, all’infrarosso e all’ultravioletto. Le eccellenti proprietà di trasparenza unite all’elevatissima conducibilità assicurano al grafene performance meccaniche ritenute basilari per l’industria elettronica specificatamente nella costruzione di schermi piatti e flessibili da impiegare su tutti i dispositivi multimediali touch-screen, i pannelli e le celle solari. I grandi gruppi industriali hanno implementato ricerca e brevetti su questo materiale per sostituire progressivamente l’Indio (finora utilizzato a tale scopo sotto forma di ossido di Indio-Stagno), più costoso e con riserve “impoverite” dall’elevato utilizzo su scala mondiale. Tuttavia alcuni problemi legati alla gestione della sinergia tra l’elevata trasparenza ottica e la bassissima resistenza superficiale su grandi aree non sono stati ancora risolti.

Prodotti per il comparto energetico

Il grafene grazie alle sue eccellenti capacità di conducibilità elettrica, di trasparenza e di flessibilità è il materiale ideale per la costruzione di elettrodi trasparenti, conduttori e flessibili, da utilizzare in celle solari di nuova generazione. Gli elettrodi in grafene mostrano una grande capacità di accumulare carica elettrica in virtù della vasta area superficiale che caratterizza questo materiale. Altri impieghi di grande richiamo scientifico sono i supercondensatori (che agglomerano l’energia elettrica generata dalle celle solari), le batterie al litio (Li) e i pannelli solari.

Prodotti nel comparto biologico/biomedico

Il grafene si contraddistingue per il vivace interesse applicativo anche in ambito biologico/biomedico (biosensori, strutture di ponteggio per la riformazione di tessuti, apparati nanometrici per la cessione di medicinali, agenti antibatterici, sonde per “bioimaging”).