Uno sguardo sul futuro, quando la scienza cambierà profondamente la società e di conseguenza i nostri comportamenti ed abitudini. Grazie ad una giovane scienziata italiana che collabora al nostro giornale
Nel 2004 irrompe sul panorama scientifico mondiale un materiale del tutto nuovo, il grafene, il cui futuro si sta ancora scrivendo. Il grafene altro non è se non un sottile strato di grafite e la grafite è un materiale che ha accompagnato mano nella mano l’umanità nei secoli. Il XXI secolo, dopo le ere del carbone e del silicio, è stato definito l’era del grafene, considerando che la grafite, l’allotropo del carbonio da cui si origina il grafene, è un materiale povero e abbondante in natura quindi può essere sfruttato a livello industriale. L’atomo di carbonio, Primo Levi docet,è uno degli elementi più intriganti di tutta la tavola periodica, mattoncino su cui si costruisce l’intero impianto della chimica organica e soprattutto costituisce l’elemento fondamentale del grafene.Da dove comicia la storia? Molto da lontano, addirittura dal Medioevo quando la grafite era usata come strumento di marcatura.In pratica quando strofiniamo un campione di grafite su un foglio o su un altro supporto, si staccano dal mio bastoncino strati sottilissimi di materiale che aderiscono al supporto stesso e che quindi rimangono là a delineare quello che abbiamo voluto scrivere o disegnare;anche se l’invenzione della matita, formata da grafite inserita in un profilo cilindrico o esagonale di legno di pioppo, si possa attribuire ai coniugi Bernacotti, si è soliti festeggiare il suo compleanno il 10 settembre, giorno in cui nel 1795 il francese Contè ne avviò la produzione su larga scala. Forse non è un caso che ci si trovi, storicamente, proprio all’indomani della Rivoluzione francese; è logico e bello pensare che un oggetto così umile come la matita possa aver contribuito, in qualche modo, ad aumentare la capacità di acquisizione della cultura anche da parte degli strati sociali meno avvantaggiati che raramente potevano permettersi il lusso di acquistare libri. La storia del grafene è lunga e peculiare sotto tanti punti di vista, è curioso e in parte sorprendente notare come, nonostante la grafite sia stata tra le nostre mani per secoli, il grafene non sia mai stato effettivamente riconosciuto come un materiale destinato a cambiare l’intera storia della scienza; questo mancato riconoscimento era probabilmente dovuto all’inesistenza di strumenti di indagine adeguati. Al momento possiamo, a buon diritto, affermare che questo innovativo ambito di ricerca risulta il più esplorato del mondo, non solo dal punto di vista sperimentale ma anche dal punto di vista teorico. I primi lavori sulla struttura a bande del singolo piano di grafite sono datati in un periodo che va tra il 1947 e il 1958, epoca in cui però questo materiale veniva considerato solo un esercizio accademico, perché gli stessi ricercatori ritenevano impossibile ottenere sistemi strettamente bidimensionali che fossero contemporaneamente stabili anche allo stato isolato. Boehm e i suoi colleghi, nel 1986, coniarono il termine “grafene” combinando insieme la parola grafite e un suffisso che si riferisce a un tipo particolare di idrocarburi, cioè gli idrocarburi aromatici policiclici. Nel 1999 vennero realizzate le prime isole di grafite allo stato libero e solo 5 anni più tardi la storia della scienza cambiò completamente. E’ in quest’anno infatti che, all’Università di Manchester, gli scienziati Geim e Novoselov, in uno di quegli esperimenti fatti il venerdì sera quasi per noia, usando un campione di grafite e un semplice nastro adesivo, scoprirono quella che è la caratteristica principaledella grafite e cioè quella di riuscire a sfogliarsi. Non solo, la grafite ha una chimica ricca che le permette di partecipare in reazioni come agente riduttore (donatore di elettrone) od ossidante (accettante di elettrone). Da un punto di vista strutturale possiamo immaginarcela comeun libro i cui fogli sono costituiti da grafene.
Fermiamoci per un attimo a pensare alla morbidezza delle sfumature che Leonardo riesce a dare alle sue figure, l’incanto delle forme naturalmente è dovuto a Leonardo e alla sua inarrivabile maestria, ma l’estrema raffinatezza è consentita anche dalla friabilità della grafite. Il grafene, questo materiale strabiliante, è costituito da atomi di carbonio legati tra loro in una geometria esagonale, a nido d’ape; romperlo è lavoro da titani, ma staccare uno strato di grafite dagli altri si può fare in maniera abbastanza semplice poiché i piani sovrapposti che ne compongono la struttura sono legati da forze di Van der Waals deboli. E’ questa la caratteristica che ha permesso di mettere a punto la tecnica principe per la produzione di grafene e cioè lo “scotch tape”, che a soli sei anni di distanza, cioè solo nel 2010, ha consentito ai suoi due scopritori, di vincere il Nobel; l’intervallo temporale è estremamente breve se si considerano quelli che sono i tempi della scienza, e il fatto che in questo caso le cose siano andate diversamente ci dovrebbe far capire l’eccezionalità del materiale con cui ci stiamo confrontando. Forse vi chiederete perché i due scienziati non abbiano usato un temperino e la risposta è quasi banale: la grafite andava a rotta in maniera estremamente controllata, in modo da non danneggiare il singolo strato. Il grafene infatti è un materiale fondamentalmente bidimensionale il cui spessore è pari allo spessore di un atomo. E’ difficile immaginarselo e non a caso per spiegare la sua struttura si fa spesso riferimento al romanzo di Abbott “Flatlandia – Racconto fantastico a più dimensioni”, in cui le protagoniste sono alcune figure geometriche 2D che ignorano il loro essere piatte, e non concepiscono l’esistenza di altre dimensioni. Diamo un po’ di numeri: uno spessore di soli 4 mm di grafite può essere costituito, idealmente, dalla sovrapposizione di circa 10 milioni di strati di grafene. Si può intuire quindi come l’isolamento del singolo strato atomico e le proprietà manifestate dal materiale abbiano suscitato l’interesse dell’intera comunità scientifica, determinando l’incremento esponenziale degli studi di natura teorica e, soprattutto, delle applicazioni in questo settore.Questo materiale permetterà inoltre di poter studiare “al banco” alcuni fenomeni che sono tipici dell’elettrodinamica quantistica, al momento non sufficientemente approfonditi.Il grafene insomma è considerato il materiale dei superlativi, è il migliore in tutto, non esiste nulla che abbia una resistenza meccanica così elevata, addirittura superiore di circa 100 volte a quella dell’acciaio. Potrei costruire un’amaca di un millimetro quadro capace di sostenere 4 kg. In più è estremamente leggero, un solo grammo è sufficiente per coprire un’area di 2630 metri quadri, con 3 grammi potremmo coprire la superficie di un campo da calcio. Ha una straordinaria conducibilità termica ed elettrica, avendo la capacità di sostenere una densità di corrente elettrica superiore anche a quella del rame; ha unabassissima resistività e di conseguenza è possibile ottenere densità di corrente addirittura superiori di circa sei ordini di grandezza rispetto a quelle che possono fluire nell’argento. E’ completamente impermeabile, non ci sono sostanze che in pratica, lo possano attraversare ed è il miglior conduttore di calore. E’ trasparente e lascia che la luce lo attraversi. Molte altre sono le caratteristiche che potremmo elencare e molte altre quelle che ancora andranno scoperte. Le potenzialità di questo materiale sono tali che la comunità scientifica si è riunita ed è riuscita a ottenere il più grande finanziamento europeo di sempre,un investimento di circa un miliardo di euro diluito in 10 anni, come riferimento si può consultare l’indirizzo http://graphene-flagship.eu). Sotto la bandiera del grafene l’Europa si è unita per riuscire a competere con i paesi asiatici che sono molto più avanzati nell’innovazione tecnologica. Sarà possibile usare il grafene per mettere a punto un’elettronica accessibile, indossabile, avremo smartphone completamente flessibili e arrotolabili, potremo guardare film avendo come unico supporto un foglio di plastica così trasparente e leggero da poter essere messo in tasca. I nostri vestiti saranno oggetti intelligenti capaci di agire come dei sensori utili per applicazioni medicali, per esempio nel monitoraggio del nostro battito cardiaco durante l’attività fisica e al tempo stesso saranno in grado di raccogliere questi dati e trasferirli, per esempio, ad un cellulare. Si realizzeranno batterie per auto elettriche ricaricabili in tempi rapidissimi e si potranno di conseguenza ridurre consumi ed emissioni. Avremo scarpe confortevoli, con suole capaci di dissipare il calore in maniera più efficace, caschi da motociclista in grado di assorbire gli urti, pneumatici che grazie al grafene presente nella mescola possono garantire una maggiore aderenza e un’elevata resistenza alla foratura, compositi leggeri e resistenti per sostituire almeno in parte ingombranti strutture metalliche, tessuti biodegradabili. Potremo combinarlo con dei materiali compositi per costruire degli altri nuovi materiali, leggeri e resistenti, utili per aerei, satelliti o qualsiasi tipo di veicolo, mentre sullungo periodo, il grafene dovrebbe dare vita a nuovi paradigmi computazionali e applicazioni mediche rivoluzionarie, come la retina artificiale. Per avere un’idea di quello di cui stiamo parlando basti tenere conto del fatto che l’industria dei semiconduttori è la base dell’economia high-tech di oggi e sostiene direttamente oltre 100 000 posti di lavoro in Europa e molti altri indirettamente. Gli ambiti scientifici coinvolti sono i più disparati: l’elettronica, la spintronica, la fotonica, la plasmonica e la meccanica. Ma non è finita qui, siamo di fronte a un nuovo Klondike la cui epopea si sta scrivendo in punta di matita. Infatti oltre al grafene, ci sono tantissimi altri cristalli bidimensionali costituiti da atomi differenti e con proprietà diverse, prodotti con la stessa tecnologia con cui viene prodotto il grafene: Nitruro di boro, Disolfuro di Molibdeno e Disolfuro di Tungsteno, il Fosforo Nero, il Solfuro di Gallio, il Seleniuro di Tungsteno, il Seleniuro di Niobio e il Seleniuro di Tantalio.
Vi ricordate l’ologramma attraverso il quale la principessa Leila chiede aiuto a Luke Skywalker? Beh, quello era un ologramma al grafene, a riprova del fatto che spesso è la fantascienza a tracciare, in modo visionario, la strada dell’innovazione. E’ infatti stato messo a punto in Australia, più precisamente alla Swinburn University, un dispositivo straordinariamente complesso basato sull’ossido di grafene: infatti la luce, quando attraversa i pixel del display olografico digitale, viene piegata in base all’indice di rifrazione del materiale. Se lo modifichiamo, la luce viene deviata generando un’immagine a tre dimensioni che fluttua nello spazio sopra il display. Attraverso impulsi laser, si possono modificare e controllare con precisione gli indici di rifrazione di microscopici pixel dell’ossido di grafene che hanno dimensioni dell’ordine dei nanometri. Si tratta di un materiale dalla struttura analoga al grafene ma con atomi di ossigeno aggiuntivi. Le nano-dimensioni dei pixel e la possibilità di cambiare l’indice di rifrazione consentono di riprodurre immagini 3D di straordinaria qualità con un ampio angolo di visione fino a 52°. Tutto quello a cui abbiamo accennato in questo articolo, la schiera di innovazioni che sembrano così a portata di mano, si realizzeranno in tempi relativamente brevi. E allora, grazie a dispositivi di questo tipo anche noi, come la principessa Leila, qualora ci trovassimo nei guai, potremo chiedere aiuto a Luke Skywalker.
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