Il grafene è un allotropo bidimensionale del carbonio costituito da uno strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, come un singolo strato di grafite. La parola deriva infatti da "grafite" a cui il suffisso -ite (tipico dei minerali) è stato sostituito con -ene, che è quello che designa l'insaturazione del doppio legame, come avviene per alcheni e areni. Il grafene può quindi essere descritto come un enorme foglio di benzeni condensati su tutti i lati, o anche come struttura limite di idrocarburi policiclici aromatici aventi un numero arbitrariamente grande di anelli benzenici condensati.
Ciascun atomo di carbonio è ibridato sp2 ed è connesso ai tre contigui tramite legami σ e legami π delocalizzati, il che contribuisce a rendere il grafene una delle molecole più conduttive conosciute. Ha la resistenza materiale teorica del diamante e la flessibilità della plastica.
Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (come la realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004, sono valse il premio Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell'Università di Manchester. Nonostante i problemi iniziali nell'applicabilità del grafene a singolo strato, i due fisici hanno evoluto il materiale fino alla costruzione del cosiddetto grafene a doppio strato, che garantisce più resistenza e flessibilità di utilizzo.
Trattandosi di un prodotto innovativo di recente creazione non ancora normato, sono allo studio valutazioni sugli eventuali impatti ambientali e tossicologici della diffusione industriale del materiale.Luca Beverina, Futuro materiale, 2020, il Mulino, Bologna, ISBN 978 88 15 28669 7
Descrizione Gli atomi sono ibridati nella forma sp², e si dispongono quindi a formare esagoni con angoli di 120°. La distanza tra gli atomi nel reticolo è di 0,1418 nm mentre la distanza tra i piani è di 0,3347 nm. In presenza di imperfezioni (pentagoni o ettagoni invece degli esagoni), la struttura si deforma: con 12 pentagoni si ha un fullerene. La presenza di singoli pentagoni o ettagoni provoca invece increspature della superficie.
Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture pentagonali o ettagonali sono difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha un fullerene. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella, e l'inserimento controllato di celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubi di carbonio a singola parete possono essere considerati cilindri di grafene; talvolta alle estremità di questi nanotubi si trovano strutture emisferiche costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo".
La definizione ufficiale del grafene data dalla IUPAC è:
Produzione
Esfoliazione meccanica
L'esfoliazione meccanica della grafite consiste nell'applicazione di una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata per staccare e dispiegarne gli strati cristallini fino a ottenere il singolo strato. I primi tentativi si effettuarono già nel 1998, quando l'interazione di punte per analisi AFM (microscopio a forza atomica) e STM (microscopio a effetto tunnel) con la superficie della grafite fu sfruttata per fornire un'energia sufficiente a superare le forze di attrazione inter-piano e portare alla rimozione e isolamento dello strato monoatomico cristallino. In seguito il gruppo di André Geim ha sviluppato un metodo molto semplice, universalmente noto come metodo scotch-tape, che 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 sé 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 a un substrato isolante. L'esfoliazione meccanica è il metodo più semplice e 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.
Esfoliazione in fase liquida
Il metodo si basa sull'utilizzo delle forze di pressione che si generano all'interno di un liquido. Grafite in polvere è mescolata a un solvente dotato delle opportune qualità fisiche come viscosità, tensione superficiale, ecc. (tipicamente 1-metil-2-pirrolidone) o in una miscela di acqua e surfattante. La sospensione è quindi sottoposta a miscelazione attraverso onde ultrasoniche, o mixer ad alta forza di taglio, o mulino a biglie, ecc. Tali processi creano all'interno del liquido sia forze di taglio sia di cavitazione che causano la rottura dei cristalli di grafite secondo il piano basale, riducendoli a fogli sempre più sottili e, idealmente, singoli fogli di grafene. La sospensione risultante dal processo è poi purificata con ultracentrifugazione. Tale metodo risulta uno dei più promettenti dal punto di vista della scalabilità, e permette di ottenere grandi quantità di ottimo grafene. Per contro, i fiocchi risultano piuttosto piccoli come dimensioni laterali.
Riduzione dell'ossido di grafene (RGO)
Finora gli sforzi sono stati diretti soprattutto verso l'esfoliazione dell'ossido di grafite e successiva riduzione a grafene. L'ossido di grafite è un materiale avente la stessa struttura lamellare della grafite nel quale però alcuni atomi di carbonio presentano legami con ossigeno sotto forma di ossidrili (-OH) o di carbonili (C=O) o più raramente di carbossili, e in cui la distanza tra gli strati di grafene aumenta a causa dell'ingombro dell'ossigeno. La sua natura fortemente idrofila consente di ottenere, con l'utilizzo di onde acustiche ultrasoniche, l'intercalazione (ovvero l'inclusione reversibile di molecole all'interno di altre molecole o gruppi) di molecole d'acqua e, conseguentemente, una pressoché completa esfoliazione (~90%) del materiale in ossido di grafene (GO). Il grafene viene successivamente sintetizzato per riduzione del grafene ossido. Sono stati sperimentati con successo sia metodi di riduzione di tipo chimico (mediante idrazina N2H4, idrochinone, sodio boro idruro o anche vitamina C) sia metodi termici o UV che hanno prodotto materiali con conducibilità nell'ordine dei 102 S/cm. La sintesi chimica del grafene, via riduzione dell’ossido di grafene, è una metodologia che ha il vantaggio di avere rese elevate e ampie possibilità di realizzare il processo su grande scala. La qualità del prodotto da sintesi chimica è però piuttosto scarsa, per effetto di una parziale riduzione del GO e di abbondanza di difetti del reticolo cristallino, il che rende il prodotto maggiormente adatto ad applicazioni che non richiedano strettamente un grafene qualitativo, come ad esempio l’utilizzo nei compositi polimerici.
Metodo chimico
Il grafene si ricava in laboratorio dalla grafite. I cristalli di grafite sono trattati con una soluzione fortemente acida a base di acido solforico e nitrico e poi ossidati ed esfoliati fino a ottenere cerchi di grafene con gruppi carbossilici ai bordi. Mediante trattamento con cloruro di tionile (SOCl2), queste molecole periferiche sono trasformate in cloruri acilici (alogenuri acilici composti da un acile e un atomo di cloro) e poi in ammidi). Il risultato è un cerchio di grafene solubile in tetraidrofurano, tetraclorometano e dicloroetano.
Altri metodi
Crescita epitassiale su carburo di silicio Crescita epitassiale su substrati metallici Crescita per segregazione del carbonio da leghe carbonio-metallo
Nel 2025 è stato pubblicato un paper relativo alla produzione di grafene all'interno di un substrato poroso dal quale viene estratto facilmente senza formare pieghe o imperfezioni, raggiungendo la conducibilità elettrica e termica teoriche. Il grafene si sviluppa un tasso di 6.2 strati al secondo, 20 volte superiore a quello delle altre applicazioni tradizionali note.
Struttura atomica
Il grafene ha una struttura composta da un reticolo esagonale a nido d'ape dove i singoli atomi di carbonio sono legati tramite legami covalenti.
Proprietà
Proprietà elettroniche
Il grafene si comporta come un semiconduttore a Gap nullo. La sua particolare struttura elettronica fa sì che possa comportarsi sia come semiconduttore P sia come semiconduttore N in assenza di drogaggio, per mero controllo elettronico (gating). Altri impieghi sono nelle celle solari, nelle batterie a flusso e nelle batterie agli ioni di litio. Nel 2016 sono state immesse sul mercato batterie a ioni di litio cosiddette "al grafene" che utilizzerebbero grafene come materiale anodico. Bisogna tuttavia rilevare come l'assenza di norme internazionali che definiscano cosa può o non può essere chiamato grafene fa sì che molti prodotti "al grafene" utilizzino semplicemente grafiti micronizzate.
Se due strati di grafene individuali sono accoppiati in un angolo specifico, il sistema mostra la superconduttività ed effetti quantistici come il magnetismo.
Proprietà ottiche
Un singolo strato di grafene, pur essendo spesso un solo atomo, è in grado di assorbire il 2,3% della radiazione uniformemente su pressoché tutto lo spettro ottico. Per confronto, un film di silicio con lo stesso spessore assorbirebbe solo lo 0,03% della luce.
Proprietà termiche Il grafene è un ottimo conduttore termico, secondo solo al diamante, e molte applicazioni commerciali sfruttano questa caratteristica.
Proprietà meccaniche
Il grafene è il materiale più sottile al mondo ed è praticamente trasparente (97,7% della luce). Ha un carico di rottura teorico di 130 GPa e un modulo di elasticità di circa 1 TPa e può essere stirato fino al 20% della sua lunghezza. Secondo i suoi scopritori vincitori del premio Nobel nel 2010, un singolo foglio di grafene (quindi un foglio alto 1 atomo) largo 1 metro quadro sarebbe capace di sostenere il peso di 4 kg, pesare 0,7 mg ed essere virtualmente invisibile. Il grafene, che teoricamente dovrebbe avere una notevole resistenza meccanica, pari a 4 volte la resistenza dell'acciaio, è anche un materiale fragileNature communications - Fracture toughness of graphene e questa fragilità, combinata con l'inevitabile presenza di difetti all'interno dei componenti quando se ne aumentano le dimensioni, non consente di produrre fogli molto grandi di grafene né di produrre oggetti di grafene con valori di resistenza meccanica a trazione interessanti per applicazioni strutturali.
MATBG e superconduttività Il grafene bistrato ruotato ad angolo magico ( magic-angle twisted bilayer graphene, MATBG) attribuisce al materiale proprietà superconduttive uniche.
Al suo interno non avviene la repulsione elettromagnetica tra elettroni, ma formano un superfluido che può scorrere attraverso il materiale senza resistenza.
Il MATBG è caratterizzato da uno spessore fino a 100 volte più piccolo di quello dei superconduttori tradizionali.
Nel 2024 è stata misurata per la prima volta la rigidità superfluida (induttanza cinetica) di un materiale bidimensionale, risultata 10 volte superiore alle previsioni teoriche. Tale misura indica quanto facilmente le particelle possono muoversi per generare superconduttività. Il fenomeno è stato attribuito alla geometria quantistica del materiale.
Utilizzi e potenziali applicazioni