grafene
grafene
grafène s. m. – Materiale costituito da una sequenza di atomi di carbonio legati tra loro a formare un sistema bidimensionale (un 'foglio' di atomi), avente spessore pari alla dimensione di un solo atomo. Nel g. gli atomi di carbonio possono essere descritti da una ibridizzazione di tipo sp2: ciascun atomo possiede 3 orbitali ibridi diretti lungo i vertici di un triangolo, con i quali si lega ad altrettanti atomi di carbonio, e un orbitale p che dà origine a un legame di tipo π molto esteso (delocalizzato sull'intero 'foglio'), la cui densità elettronica è concentrata al di sopra e al di sotto del piano. La struttura risultante è costituita da una rete di anelli esagonali condensati a formare il piano grafenico. Il g. è l'elemento strutturale essenziale della grafite, costituita da una sequenza di piani grafenici impilati l'uno sull'altro, e dei nano tubi di carbonio a singola parete, che possono essere immaginati come prodotti dall'arrotolamento di un singolo strato grafenico. Fino ai primi anni del 21° sec., si riteneva che il g. potesse esistere solamente come elemento strutturale di questi sistemi e non come singolo monostrato planare, perché la sua elevata instabilità termodinamica lo avrebbe portato inevitabilmente ad associarsi con altri strati, a incurvarsi o a decomporsi dando origine appunto a sistemi di tipo grafitico, nanotubi, fuliggini, eccetera. La prima preparazione di un g. a singolo strato è stata riportata nel 2005 (in precedenza erano stati prodotti sistemi costituiti da pochi strati grafenici) ed è stata realizzata mediante un procedura relativamente semplice nota come esfoliazione meccanica. Una volta prodotto, il g. viene trasferito su un substrato (per es., biossido di silicio) per essere caratterizzato mediante tecniche quali la microscopia a forza atomica o a effetto tunnel e la spettroscopia Raman. Il g. a singolo foglio rappresenta il primo e più importante esempio di materiale cristallino strettamente bidimensionale e per la sua realizzazione i fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2010. Con la stessa procedura sono stati prodotti altri materiali in forma di strato monoatomico, quali nitruro di boro (BN), disolfuro di molibdeno (MoS2), diseleniuro di niobio (NbSe2). Successivamente, fogli grafenici sono stati prodotti anche mediante deposizione da fase vapore. Il g. ha attratto grande interesse scientifico per le sue peculiari proprietà meccaniche, ottiche ed elettroniche, che differiscono da quelle della grafite e dei nanotubi e che potrebbero portare a rilevanti ricadute applicative: per es. il g. potrebbe trovare impiego come elettrodo per celle solari o come componente di dispositivi microelettronici (sono stati già realizzati transistor a base di g.). Tali proprietà cambiano significativamente con la presenza di difetti reticolari che possono essere introdotti nella struttura durante la preparazione o successivamente: per es., la conducibilità elettrica può aumentare o diminuire a seconda della concentrazione e del tipo di difetti.