I materiali 2D e le loro applicazioni future

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Nuovi materiali bidimensionali stanno nascendo nel nostro universo quadrimensionale, e il merito della loro futura applicazione spetta ai premi Nobel del 2010 Konstantin Novoselov e Andre Geim. I due fisici sono riusciti ad ottenere, dalla normale grafite che ogni giorno utilizziamo per disegnare, un materiale “bidimensionale” il cui spessore è di un solo atomo; anche se, è doveroso farlo presente, il grafene, così com’è stato chiamato, non è un vero e proprio materiale 2D, in quanto gli atomi, se pur infinitamente piccoli, possiedono comunque tre dimensioni spaziali. Bisogna ammettere,però, che in quanto a spessore, il grafene, non teme rivali.

La particolare geometria a nido d’api del materiale, determinata dalla disposizione dei suoi atomi di carbonio, comporta eccezionali capacità elettroniche. Infatti, questa peculiare disposizione atomica ad un solo strato fa si che il movimento degli atomi da cui è composto il materiale siano confinati all’interno di piano bidimensionale, comportando una efficienza di conduzione, a basso costo di energia.

Per ottenere il grafene, gli scienziati trattano i cristalli di graffite con una soluzione estremamente acida; in seguito li ossidano e li esfoliano fino ad ottenere cerchi di grafene. Infine avviene un trattamento a base di cloruro di tionile, in grado di dotare il grafene di proprietà solubili.

Da quando è stato creato il nuovo materiale, i fisici hanno potuto fare esperimenti di nuova concezione, in grado di aprire nuove prospettive sullo studio della meccanica quantistica, ma soprattutto hanno potuto cominciare diversi studi sulle applicazioni pratiche dello stesso. Secondo diverse voci, infatti, il grafene sarà utilizzato per un ampia gamma di applicazioni. In prima battuta, probabilmente, il materiale 2D sostituirà il silicio dei transistor, in modo da rendere estremamente più veloci e precisi i computer.

Il grafene, infatti, è in grado di perdere per strada molta meno energia rispetto ai conduttori di silicio, determinando una maggiore resa di efficienza. Ma il materiale in se per se non fa parte dei semiconduttori, per questo, all’Università di Manchester, è stato sperimentato un modo per renderlo efficiente anche da questo punto di vista. È stato dimostrato, infatti, che unendo due strati di grafene, con all’interno un po’ di nitrato di boro o disolfuro di molibdeno, è possibile rendere il materiale un ottimo semiconduttore.

Dunque pare che le applicazioni future del grafene siano estremamente ampie, e predisposte per diversi settori; come, ad esempio, l’utilizzo nei pannelli fotovoltaici, in cui l’utilità del materiale è determinata dalla possibilità di catturare una maggiore parte dello spettro elettromagnetico solare. Ma è finita qui? Assolutamente no, infatti il materiale 2D possiede diverse proprietà strabilianti, come ad esempio la durezza tipica dei diamanti o la trasparenza quasi totale affiancata alla massima impermeabilità. Addirittura è provato che il grafene risulta impermeabile all’elio, il quale, ha la caratteristica di essere il gas con gli atomi più piccoli. Dunque le prospettive di utilizzo sono considerevoli anche nel campo delle telecomunicazioni (per la costruzione di fibre ottiche); e ciò non fa altro che rendere più appetibile l’utilizzo del materiale da diverse aziende, anche e soprattutto, in virtù del basso costo della graffite.

L’unico problema a questo punto, visto che la produzione a livelli industriali del grafene potrebbe essere accessibile, rimane la sua modellazione in fogli, che, appare talmente complessa, da rendere il materiale probabilmente molto costoso. A titolo di esempio, e per concretizzare le aspettative del suo utilizzo, è doveroso fare presente che la casa automobilistica Nissan ha inventato un sistema per contenere l’idrogeno in celle di carburante con contenitori di grafene, in grado di confinare l’idrogeno, e risolvendo il problema della progettazione delle macchine ibride.

A questo punto sembrerebbe che il grafene sia in tutto e per tutto il materiale prediletto per le applicazioni per il futuro, ma invece non è così. Ultimamente a scaldare gli animi degli scienziati convinti della massima efficienza ottenuta dal grafene, è arrivata la molibdenite. In questo caso lo spessore del materiale è di tre atomi, ma la propensione al suo utilizzo è, tra le altre cose, determinata dalla facilità di reperibilità in natura.

Inoltre la molibdenite è dotata della capacità di condurre elettricità, senza il bisogno di modificare nessuna caratteristica. Entrambi questi aspetti, quindi, farebbero pensare all’utilizzo della molibdenite al posto del silicio, piuttosto che il grafene. Il futuro ci darà conferma.

Andrea Tasselli

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