Grafene superconduttore: ecco il materiale più popolare nell’Industria Elettronica.

Proprietà e applicazioni del grafene: il Materiale del futuro.

 

Grafene - Proprietà e applicazioni

Correva l’anno 2004, quando Andre Geim e Konstantin Novoselov, mentre conducevano esperimenti su un cristallo di grafite, riuscirono a isolarne un foglio per caso grazie a del comune nastro adesivo. Scoprirono così il grafene, un materiale straordinario, destinato a cambiare la nostra vita quotidiana.

Il grafene è costituito da uno strato di atomi di carbonio e per questo considerato un materiale bidimensionale (2D). Gli atomi di carbonio sono strettamente legati in un reticolo esagonale a nido d’ape (Figura 1). Il grafene non è altro che una forma allotropica del carbonio. Infatti, quando gli atomi di carbonio si legano in maniera casuale si ottiene la grafite, quando la struttura è ordinata si ha il diamante. Il grafene ha una struttura ordinata, ma solo due dimensioni.

Le elevate proprietà del grafene sono principalmente dovute alla combinazione di due fattori:

1) La perfezione strutturale, data da legami forti ma al contempo flessibili, disposti in una struttura cristallina di atomi di carbonio priva di difetti.

2) L’elevatissima mobilità degli elettroni dovuta alla presenza della sequenza di orbitali π coniugati tra loro.

Si potrebbe essere sorpresi di sapere che il carbonio è la seconda massa più abbondante nel corpo umano e il quarto elemento più abbondante nell’universo (in massa), dopo l’idrogeno, l’elio e l’ossigeno. Questo aspetto permette al carbonio di essere la base chimica per tutta la vita conosciuta sulla terra, rendendo il grafene potenzialmente una soluzione sostenibile ed ecologica per un numero quasi illimitato di applicazioni. Dalla scoperta (o, più precisamente, l’ottenimento meccanico) del grafene, sono esplose le applicazioni all’interno di diverse discipline scientifiche, con enormi vantaggi soprattutto nell’elettronica ad alta frequenza, nei sensori biologici, chimici e magnetici, nei fotorivelatori a larghezza di banda ultra larga, nell’immagazzinamento e nella generazione di energia.

Il grafene ha attirato l’attenzione del mondo scientifico soprattutto grazie alle sue proprietà di conduzione della corrente elettrica. La presenza di un “circuito” continuo posto sopra la superficie del materiale, dovuto al sistema di doppi legami coniugati, permette una mobilità degli elettroni (μ) elevatissima, pari a 40000 cm2·V-1·s-1 ed evita le perdite energetiche sotto forma di calore che avvengono nei conduttori classici dove gli elettroni si scontrano con gli atomi. Inoltre è interessante notare come il grafene rientri nella categoria dei conduttori ambipolari, ossia che conducono indifferentemente ad opera degli elettroni e delle lacune. Il valore di mobilità degli elettroni raggiunge il valore massimo quando viene misurato senza che il grafene sia depositato su un altro materiale; effettuando la misura su fogli che non toccano nient’altro, il valore supera i 100000 cm2·V-1·s-1 dei nanotubi, avvicinandosi al limite teorico dei 200000 cm2·V-1·s-1 .

Il Grafene – La produzione

Diverse sono le modalità di produzione del grafene. Le più comuni tecniche sono basate sull’esfoliazione meccanica che consiste nell’applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino ad ottenere il singolo strato.  Un metodo di esfoliazione meccanica, universalmente noto come metodo scotch-tape, usa semplice nastro adesivo per esfoliare la grafite. La tecnica consiste nel porre la superficie di un cristallo di grafite sul nastro adesivo, staccare il nastro e pelare così alcuni strati di materiale. Il nastro con l’impronta della grafite è quindi ripiegato su sè stesso e svolto diverse volte. Ogni volta, i fiocchi deposti si dividono in strati sempre più sottili. Alla fine del processo, i sottili fiocchi adesi possono essere trasferiti in maniera semplice ad un substrato isolante. L’esfoliazione meccanica è il metodo più semplice ed accessibile per isolare fiocchi di grafene della dimensione di alcuni micron quadri, utili per la ricerca di base sulle sue proprietà. Purtroppo questo metodo non è adatto per una produzione industriale.

L’esfoliazione da solvente è la tecnica più usata nel panorama scientifico. Le tecniche di esfoliazione chimica e meccanica, a differenza di quelle di sintesi su substrati (chiamate anche bottom-up), consistono nella separazione dei singoli piani di grafite per ottenere su larga scala il singolo strato di grafene; per queste ragioni queste tecniche sono chiamate top-down. La procedura dell’esfoliazione da fase liquida, è costituita da diverse operazioni, ognuna delle quali può essere modificata nelle sue variabili operative (durata del trattamento, potenza del sonicatore, concentrazioni delle dispersioni, temperatura, pressione) rendendo ciascuna procedura diversa dall’altra. Generalmente, si ottengono le dispersioni trattando, in un bagno ad ultrasuoni, polvere di grafite in un solvente, in modo che l’energia fornita dagli ultrasuoni favorisca l’intercalare del solvente tra i piani della grafite e la separazione tra gli stessi. La potenza del bagno, tuttavia, ha un ruolo fondamentale poiché, se troppo elevata, può determinare la rottura dei fogli di grafene, viceversa se non sufficientemente energetica non riesce a provocare l’esfoliazione del materiale grafitico. Dopo la sonicazione, si ottiene un liquido costituito da una fase omogenea e da un gran numero di aggregati macroscopici che possono essere separati attraverso un’operazione di centrifugazione.

La tecnica CVD (Chemical vapour deposition) consente la crescita del materiale su substrati metallici, generalmente di nichel (Ni) o rame (Cu), utilizzando una miscela di idrocarburi precursori, come il metano o l’etilene in presenza di H2 ad una temperatura compresa nell’intervallo di 700°-1000 °C. Il meccanismo di crescita prevede una prima fase in cui il carbonio (trasportato da un flusso gassoso controllato di idrocarburi e idrogeno) diffonde nel substrato metallico. Successivamente si raffredda il sistema con la conseguente segregazione del carbonio sulla superficie; alla fine, sfruttando l’etching chimico del substrato metallico è possibile staccare il piano di grafene e trasferirlo su un’altra superficie.

Applicazioni del grafene nell’industria elettronica

Batterie

Tra le tecnologie disponibili per l’immagazzinamento dell’energia, ognuna delle quali presenta una serie di compromessi in termini di capacità, peso e prestazioni, vengono annoverate batterie e condensatori. I condensatori sono veloci da caricare e leggeri, ma non hanno una grande capacità. Le batterie sono in grado di mantenere una maggiore carica, ma sono pesanti e richiedono molto tempo per essere ricaricate. Questa varietà è buona in quanto offre una serie di opzioni per mettere a punto un dispositivo in base alle esigenze specifiche.

Ricercatori cinesi hanno sviluppato un design della batteria a base di schiuma di grafene che può colmare il divario tra batterie e condensatori. Si basa sulla tecnologia al litio, e anche in forma sperimentale ha un rapporto capacità/peso simile a quello delle batterie agli ioni di litio esistenti. Può scaricarsi e caricarsi rapidamente come un condensatore e può scaricarsi completamente in 20 secondi. È anche flessibile e funziona perfettamente quando è piegato.

La California Lithium Battery (CalBattery) ha lavorato in collaborazione con l’Argonne National Laboratory (ANL) per la commercializzazione di un innovativo anodo per batterie al litio da utilizzare con i nuovi materiali compositi anodici GEN3 in silicio grafene per raggiungere nuovi livelli di prestazione delle batterie agli ioni di litio.

I test a celle piene hanno mostrato eccellenti caratteristiche prestazionali con una capacità specifica dell’anodo di 1.250 mAh/g e una densità di energia di 525WH/kg. Si tratta di un miglioramento di oltre il 300% della capacità del LIB e di una riduzione del 70% del costo di vita delle batterie nell’elettronica di consumo, nell’accumulo di energia su scala di rete e nei veicoli elettrici.

Questo nuovo materiale per batterie si avvale di un nuovo processo di produzione di grafene e silicio sviluppato da ANL. Questo nuovo materiale è in grado di lavorare in una cella agli ioni di litio con una gamma di materiali elettrolitici e catodici. Gli eccellenti risultati del programma di sviluppo di ANL fanno credere all’azienda che questo materiale anodico avanzato possa sostituire i tradizionali materiali anodici a base di grafite.

Elettrodi di grafene per touch screen e smartphones

La pellicola di grafene è un forte candidato per la sostituzione dell’ossido di indio-stagno, che è un prodotto commerciale ampiamente utilizzato come conduttore trasparente. Viene utilizzato nei touch screen di computer da tavolo e smartphone e viene utilizzato come elettrodo nelle celle solari e negli OLED. Come sostiene lo scopritore di questo materiale, scienziato anglo-russo Konstantin Novoselov, premio Nobel 2010:
”Per produrre tutti quelli che si fanno oggi nel mondo, ne servono solo 60 kg, essendo così sottile: per fare un confronto, si usano nell’industria migliaia e migliaia di tonnellate di grafite ogni anno. Quindi non c’è un grande impatto sull’ambiente usando grafene”.

Circuiti elettronici direttamente stampati sui vestiti

Utilizzando delle convenzionali tecniche a getto d’inchiostro che sono economiche, sicure e rispettose dell’ambiente, i ricercatori hanno recentemente riferito di aver stampato con successo dei materiali 2D, creando circuiti elettronici integrati direttamente sui tessuti. Ricercatori hanno stampato con successo il grafene direttamente sui tessuti, rendendo possibile la produzione di circuiti elettronici integrati indossabili. In tema di dispositivi elettronici flessibili e indossabili, uno dei problemi principali è sempre stata la repellenza ai liquidi: la maggior parte dei circuiti elettronici non regge i liquidi e risulta dunque, tra l’altro, non lavabile (tutti i dispositivi indossabili devono essere prima disattivati e tolti dal vestiario prima che quest’ultimo venga inserito in lavatrice, tranne pochissime eccezioni).Un gruppo di studio della Iowa State University dichiara però di aver creato il primo circuito a base di grafene flessibile, e dunque adatto per elettronica indossabile, e soprattutto idrorepellente: può essere lavato in quanto perfettamente impermeabile.
E, come se non bastasse, si tratta di grafene a basso costo, stampato con tecniche simili al getto di inchiostro. Solo in questo caso l’inchiostro è costituito da scaglie di grafene, naturalmente un conduttore elettrico stabile già conosciuto. A seguito della “stampa”, il grafene subisce poi una seconda lavorazione che rimuove tutti quei componenti non conduttivi.

Transistor a base di grafene

I tradizionali transistor a base di silicio hanno rivoluzionato l’elettronica con la loro capacità di accendere e spegnere la corrente. Controllando il flusso di corrente, i transistor hanno permesso la creazione di piccole radio, televisori e computer.
Nel giugno 2011, i ricercatori IBM hanno annunciato la progettazione di un circuito grafene ad alta velocità. Nel 2010, IBM ha prodotto un transistor funzionante con il grafene – un grande risultato poiché il grafene non è un semiconduttore naturale. Nonostante le sfide tecniche, questo primo transistor a grafene funzionante ha funzionato al doppio della velocità di un transistor al silicio comparabile.

Un transistor funzionante non significa nulla a meno che non sia integrato in un circuito, il che implica che un certo numero di transistor sono collegati per eseguire un compito. In questo caso, gli scienziati IBM hanno costruito un mixer a banda larga a radiofrequenza che viene utilizzato in applicazioni radio per elaborare i segnali a una gamma di frequenze. Si tratta di un componente standard IC e questo risultato dimostra che i transistor a grafene possono essere utilizzati efficacemente in sistemi più complessi.
Come riportato nel 2017 sulla rivista scientifica Nature Communications, gli studiosi della University of Central Florida hanno teorizzato un transistor di nuova generazione basato non sul silicio ma su un nastro di grafene. Le loro scoperte hanno grandi implicazioni per l’elettronica, velocità di calcolo e grandi dati, dicono gli scienziati della UCF nel 2015.

I ricercatori hanno scoperto che applicando un campo magnetico a un nastro di grafene, potrebbero cambiare la resistenza della corrente che lo attraversa. Per questo dispositivo, il campo magnetico è controllato aumentando o diminuendo la corrente attraverso nanotubi di carbonio adiacenti.
Aumentare o diminuire l’intensità del campo magnetico aumenterebbe o diminuirebbe anche il flusso di corrente attraverso questo nuovo tipo di transistor, proprio come una valvola che controlla il flusso di acqua attraverso un tubo. I transistor agiscono come interruttori on e off. Una serie di transistor in diverse configurazioni agiscono come porte logiche, permettendo ai microprocessori di risolvere problemi aritmetici e logici complessi. Ma la velocità dei microprocessori di computer che si basano su transistor al silicio è rimasta relativamente stagnante per anni, con velocità di clock per lo più nella gamma dei 3 o 4 gigahertz.
Una serie a cascata di circuiti logici basati su transistor grafene potrebbe produrre un salto di massa, con velocità di clock che si avvicinano alla gamma dei terahertz – mille volte più veloce.
Sarebbero anche più piccoli e sostanzialmente più efficienti, permettendo ai produttori di dispositivi di ridurre la tecnologia e di spremere in più funzionalità.

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Costo del grafene

Come spiegano i ricercatori di Graphenea, il prezzo del grafene è legato alla sua qualità e non tutte le applicazioni richiedono materiali di qualità eccellente.

Ad esempio, la polvere di ossido di grafene (grafene funzionalizzato con ossigeno e idrogeno) è economica ed è stata utilizzata per produrre una carta grafene conduttiva, per l’analisi del DNA e per altre applicazioni avanzate di composito e biotecnologia.

Il grafene esfoliato meccanicamente (ottenuto con la famosa tecnica dello “scotch tape”) è disponibile in piccole scaglie di alta qualità. Il grafene esfoliato ha finora dimostrato di possedere le migliori proprietà fisiche, la migliore resistenza meccanica, ecc. La copertura del grafene esfoliato meccanicamente, tuttavia, è solo dell’ordine di poche piccole scaglie per centimetro quadrato, non abbastanza per le applicazioni. Inoltre, il prezzo di tale grafene può essere dell’ordine di diverse migliaia di dollari per scaglia.

In diversi anni, continuano i ricercatori di Graphenea, i prezzi del grafene sfuso possono scendere al di sotto di quelli del silicio, consentendo al grafene di entrare in tutti i mercati attualmente dominati dal silicio, come l’informatica, la produzione di chip, i sensori, le celle solari, ecc. Nel frattempo, il grafene continuerà ad essere utilizzato per applicazioni che altri materiali non possono semplicemente sostenere. Ad esempio, il silicio non può essere integrato nei futuri smartphone flessibili, perché il silicio è fragile e si romperà durante la piegatura. Il grafene offre invece una soluzione competitiva.

I prezzi del grafene non sono così alti come ci si potrebbe aspettare da una tecnologia così giovane. Bisogna ricordare che la fibra di carbonio, ad esempio, è stata inventata negli anni ’50, ma il suo utilizzo non è decollato per altri 30-40 anni. La fibra di carbonio ha affrontato una serie di sfide, tra cui un’implementazione sul mercato troppo presto, che ha portato a prodotti scadenti. La fibra di carbonio è ormai onnipresente nei materiali compositi avanzati. Il materiale è sopravvissuto alla lunga battaglia trovando applicazioni che non erano possibili con altri materiali. Forse il grafene seguirà una strada che è da una parte protetta da applicazioni uniche, e dall’altra dal costante progresso tecnologico, che porterà ad un uso diffuso del grafene nei prossimi decenni.

[fonte:https://www.graphenea.com/pages/graphene-price#.XVFAsegzY2w]

Iniziative di ricerca e sviluppi futuri

Per coordinare la ricerca nell’ambito del grafene, senza disperdere risorse (economiche, ma anche di competenze scientifiche) è nata l’iniziativa europea Graphene Flagship. Da 5 anni, con fondi europei, il consorzio coordina il lavoro di industrie, università e organizzazioni di ricerca, per un totale di 158 enti in 23 paesi. È una piattaforma comune che permette di coordinare le strategie fra ricerca teorica e applicazioni pratiche, per far lavorare in parallelo la ricerca scientifica con il lavoro degli ingegneri. Il contributo degli studiosi e delle imprese italiane è molto importante. È sempre una sfida proporre un nuovo materiale sul mercato e nessuno sa davvero come farlo. Perché un materiale possa essere usato nelle applicazioni industriali, servono di solito fra i 10 e i 30 anni. L’idea che sta dietro alla Graphene flagship è che si aiutano le imprese a capire come usarlo. Negli ultimi anni, ci si è concentrati sulle applicazioni specifiche sviluppando prototipi. A supporto di quanto finora espresso, si veda la graphene roadmap, pubblicata di recente, che scandisce i progressi e i traguardi successivi per questo innovativo materiale e le sue applicazioni.

Figura 3. Graphene Technology and Innovation Roadmap [https://graphene-flagship.eu/project/roadmap]

Secondo la tabella di marcia della Graphene Flagship, entro il 2023, data in cui si concluderà il piano, le applicazioni riguarderanno materiali compositi per rivestimenti e modifiche di superfici (dai caschi per moto agli aerei militari), nel campo dell’energia batterie a ricarica rapida, nella trasmissione di dati l’uso nelle reti 5G e wireless, nell’elettronica quella ad altra frequenza e quella stampabile a basso costo; nell’industria delle immagini per i sensori fisici/chimici e quelli fotoelettrici e per gli spettrometri e i sensori per spettrometri e camere CMOs. Solo dopo il 2023 potrebbero arrivare novità per le applicazioni del grafene nel trattamento e desalinizzazione delle acque, cellule solari flessibili, uso nelle reti 6G e oltre, dati ottici su microchip, e nel campo delle tecnologie biomediche anche per realizzare interfacce neurali (si studiano ad esempio sostituti per la retina).

Il grafene e la caratterizzazione termo-fisica

Quali sono le proprietà di scambio termico di questo nuovo tipo di materiale?
In che modo si correlano con le altre proprietà fisiche, meccaniche e di durabilità nell’ambiente finale di utilizzo?

L’innovazione nel campo dei materiali passa sempre di più attraverso l’analisi, lo studio e l’ottimizzazione delle caratteristiche termo-fisiche dei materiali stessi. È per questo che il team di specialisti dei materiali e tecnici di laboratorio di Thermocert hanno messo a punto un set di analisi e prove in campo termico.

Per scoprire le proprietà termiche del grafene, visita il sito Thermocert, e scopri come possiamo affiancarti nello sviluppo e testi di materiali ad alte prestazioni.

Se preferisci, puoi contattare direttamente un nostro specialista dei materiali che saprà orientarti al meglio.

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