Cosa è più sottile di un capello, ma più forte dell’acciaio?

Immagina un materiale più forte dell’acciaio, più trasparente del vetro e più sottile di un capello umano. Suggerimento: non è la kryptonite. Aida Rafat, un ingegnere assistente alla ConocoPhillips che ha vinto la finale del Qatar del nostro concorso internazionale di comunicazione scientifica FameLab, spiega.

Cos’è il grafene?

È il materiale più straordinario che, in teoria, dovrebbe essere fantascienza. Ha innumerevoli applicazioni e proprietà fenomenali, e ha entusiasmato gli scienziati.

Questa sostanza bidimensionale meraviglia proviene da una fonte semplice. Il grafene è il blocco di base della grafite, una forma fondamentale di carbonio e un minerale abbondante. La grafite è fatta di migliaia di strati di grafene impilati uno sull’altro. Ci è familiare come la mina di una matita. Quindi, tecnicamente, ogni persona che ha tracciato una linea con una matita ha fatto grafene.

Come l’hanno scoperto gli scienziati?

Per caso. E tutto grazie al nastro adesivo. Nel 2004, due ricercatori dell’Università di Manchester, Andre Geim e Kostantin Novoselov, stavano lavorando in laboratorio. Stavano studiando le proprietà elettriche della grafite e decisero di usare del nastro adesivo per vedere se potevano staccare delle scaglie più sottili. Continuarono a staccare sempre più strati dal fiocco di grafite originale, fino a quando si resero conto che si erano ritrovati con uno strato spesso un solo atomo. Quello che avevano creato era il grafene, e in seguito hanno vinto il premio Nobel per la fisica del 2010 per la loro scoperta.

Cosa rende il grafene così speciale?

Il grafene ha proprietà meccaniche, elettriche, termiche e ottiche incredibili e uniche.

In primo luogo, è forte. La gente pensava che i materiali bidimensionali cadessero a pezzi. Ma in realtà, il grafene è il materiale più forte che sia mai stato testato: circa 200 volte più forte dell’acciaio. Un’amaca fatta di un metro quadrato di grafene sosterrebbe il peso di un grosso gatto di quattro chili, ma peserebbe solo quanto uno dei baffi del gatto a 0,77 mg (circa 100.000 volte più leggero di un metro quadrato di carta).

In secondo luogo, nonostante la sua enorme forza, il grafene mantiene flessibilità ed elasticità. Lo si può piegare ed è trasparente: entrambe caratteristiche molto importanti per l’elettronica, poiché significa che lo si potrebbe usare per fare touch screen pieghevoli e trasparenti per computer e dispositivi mobili.

In terzo luogo, conduce l’elettricità in modo brillante. Infatti, gli elettroni si muovono più velocemente attraverso il grafene che attraverso qualsiasi altro materiale testato. Gli scienziati possono “drogare” il grafene aggiungendo o rimuovendo chimicamente gli elettroni. Più elettroni vi si aggiungono, più corrente può produrre. Il grafene “drogato” potrebbe essere ancora meglio del rame nel condurre l’elettricità.

In quarto luogo, il grafene è super-impermeabile, quindi anche le molecole più piccole come l’elio non possono entrarvi. Questa potrebbe essere una caratteristica molto importante, perché ci permetterebbe di usare il grafene per separare liquidi e gas.

Cosa c’è di diverso nella struttura del grafene?

Il grafene ha una struttura molto particolare, come un reticolo a nido d’ape di atomi di carbonio. Ciò che è insolito è il modo in cui questi atomi interagiscono tra loro.

Un atomo di carbonio ha sei elettroni, di cui quattro nel suo guscio esterno, pronti a legarsi con altri atomi per formare molecole. Ma nel grafene, solo tre di questi elettroni si legano strettamente agli atomi vicini, creando un legame estremamente forte e stretto. Il quarto elettrone rimane senza legame. Questi elettroni non legati si comportano in modo molto diverso dal solito. Si comportano come particelle di luce, o fotoni, e si muovono effettivamente alla velocità della luce sopra il foglio di grafene, dando al grafene le sue fenomenali proprietà elettriche.

Come è fatto il grafene?

Non possiamo vedere il grafene ad occhio nudo. È il materiale più sottile mai scoperto. Un foglio di grafene è 1.000 volte più sottile di un capello umano. Infatti, gli scienziati che l’hanno scoperto hanno potuto vedere i fiocchi di grafene solo perché li hanno messi su un wafer di ossido di silicio. Se avessero usato un altro materiale, forse non l’avrebbero nemmeno visto.

Il grafene è già utilizzato per qualcosa?

Molte grandi aziende, come IBM e Samsung, stanno studiando da vicino il grafene. Una delle principali sfide dell’industria elettronica in questo momento è che stiamo spingendo i limiti dei transistor di silicio (che amplificano e conducono i segnali elettrici). In altre parole, come possiamo fare transistor di silicio sempre più piccoli, in modo che le aziende possano produrre smartphone, tablet e computer più sottili ma più potenti?

Il problema è che abbiamo già raggiunto il limite di ciò che possiamo fare con i transistor di silicio. Non possiamo semplicemente renderli più piccoli. Tuttavia, con il grafene, c’è un grande potenziale per andare oltre, e anche per fare touch screen ed elettronica trasparente.

Non si tratta solo di computer. Una delle attuali applicazioni commerciali che incorporano il grafene è una racchetta da tennis di una società chiamata HEAD. La racchetta sembra essere molto più potente e molto più leggera – due cose essenziali da avere in una racchetta da tennis ideale!

Per cos’altro potrebbe essere usato il grafene in futuro?

L’industria dei trasporti potrebbe mescolare il grafene con un materiale composito esistente, per fare aerei e automobili più forti e leggeri. A causa della sua impermeabilità, il grafene sarebbe anche un eccellente materiale di rivestimento per resistere alla corrosione.

Mettere uno strato di grafene sulla plastica, e si ha una plastica elettricamente conduttiva. Oppure un’azienda di elettronica potrebbe approfittare della flessibilità del grafene e usarlo per fare una tavoletta che si può piegare come un giornale, o un piccolo telefono intelligente che si può attaccare alla maglietta.

Il grafene può migliorare drasticamente la durata di una tradizionale batteria al litio, riducendo significativamente il tempo di ricarica. Può essere usato per immagazzinare energia solare, o per fare supercapacitori (batterie giganti usate nelle auto elettriche e negli ascensori).

Gli scienziati stanno anche parlando di usare filtri di grafene per la desalinizzazione, per trasformare l’acqua di mare in acqua potabile, e come sistema di rilascio di farmaci per il trattamento del cancro.

Il grafene è brevettato?

La brevettazione del grafene è uno degli argomenti più dibattuti nella scienza. Il grafene in sé non può essere brevettato, poiché è derivato dal carbonio – un materiale naturale. Inoltre, gli scienziati conoscono il grafene dal 20° secolo, solo che non sapevano come isolarlo.

Tuttavia, molte organizzazioni hanno brevettato dispositivi e processi per produrre grafene. Non so se i due scienziati che hanno scoperto il grafene siano diventati ricchi di conseguenza. Ma sono diventati estremamente famosi e hanno vinto il premio Nobel. Il loro articolo scientifico sulla scoperta rivoluzionaria del grafene è stato infine pubblicato su Science, e l’articolo stesso è stato elencato tra i 100 articoli più citati di tutti i tempi. Questo è un risultato che ogni ricercatore scientifico sogna.

Aida Rafat è ingegnere assistente alla ConocoPhillips. Potete vederla competere alle finali internazionali di FameLab l’8-9 giugno 2016.