grafene singolo strato atomico proprietà ottiche del grafene proprietà elettriche del grafene microscopio a forza atomica proprietà meccaniche del grafene

Cos’ è il graphene?

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Il graphene, un materiale che ha lo spessore di un singolo strato atomico e che ha suscitato un forte interesse per le sue proprietà ottiche, elettriche e meccaniche.

In prima analisi osservando la sua struttura cristallina vedremo che il grafene può essere visualizzato come un foglio di atomi di carbonio distribuiti in un reticolo a nido d’ape. Lo spessore di ogni strato atomico è di circa 1 nm ed è stato osservato con un microscopio a forza atomica.

Ad ogni punto del reticolo a nido d’ape corrisponde un atomo di carbonio collegato ai suoi primi vicini mediante legami chimici definiti covalenti (Figura 1).

Facendo un piccolo ripasso di chimica, ogni atomo di carbonio ha solo due elettroni spaiati nell’ultimo guscio atomico (2p^2). In questa configurazione ogni atomo di carbonio condivide un elettrone con ciascun atomo di carbonio vicino (4 atomi primi vicini), costruendo tre legami covalenti. I legami covalenti sono noti per essere i legami più forti e stabili esistenti in natura.

 

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Figura1. Struttura a nido d’ape del grafene. 

Riferimento dell’immagine: http://dx.doi.org/10.5772/56640

 In questo modo ogni atomo di carbonio formerà un legame ibrido (sp2). La differenza tra il legame ibrido sp3 tipico per un diamante e il legame sp2 tipico per grafite e grafene è schematizzato in Figura 2. I legami sp2 stabili sono legami presenti nel piano atomico, mentre i legami del tipo elettrostatico sono presenti tra un piano e quello successivo.

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Figura 2. Struttura del diamante con configurazione atomica ibrida sp3 di atomi di carbonio e della grafite (grafene) del tipo sp2.

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I legami elettrostatici (o legami fisici) sono legami molto più deboli. Per questo motivo è possibile separare i singoli strati atomici mediante diverse tecniche di esfoliazione. Per esempio, nel caso della matita, mentre scriviamo su un foglio di carta si rilasciano migliaia di strati atomici (Figura 3).

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Figura 3. Rappresentazione schematica della punta di una matita sotto forma di multi strati atomici di graphene.

 Quando il grafene fu studiato teoricamente (nel 1947) si pensava che non sarebbe mai stato possibile isolarlo dalla grafite perchè la sua struttura planare sarebbe stata termodinamicamente instabile, portandolo ad arricciarsi in fuliggine di carbonio.

Negli ultimi decenni, diversi scienziati hanno cercato di isolare un singolo strato atomico di grafene dalla grafite (materiale presente in natura allo stato solido), ma dalle osservazioni al microscopio ottico si potevano osservare solo pezzi di grafite di diversi spessori (esempio mostrato in Figura 4). Nessuno di essi era abbastanza sottile da poter essere identificato come un singolo layer di atomi di carbonio, e quindi dallo spessore di circa 1Å. Solo nel 2004, grazie all’uso del microscopio a forza atomica (AFM) è stato possibile visualizzarne la presenza, fino ad allora ancora non osservato al microscopio ottico (zoom in Figura4).

Il prof. Andre Geim assieme ai suoi collaboratori dell’Università di Manchester compresero che per visualizzare il grafene al microscopio ottico era necessario apportare delle modifiche al substrato, e cioè usare un substrato di appoggio  tale che l’ ossido di silicio fosse dello spessore di 275 nm.

Oggi, grazie ad un modello matematico basato sull’interferenza dei raggi ottici è possibile fare una stima degli spessori da usare per un determinato substrato tale da poter individuare il singolo strato di grafene.

  

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Figura 4. Immagine ottica di un substrato di Silicio con 275 nm di ossido, sul quale è stato esfoliato della grafite. Nell’inserto si può vedere anche il singolo strato atomico di grafene.

Riferimento dell’ immagine: http://dx.doi.org/10.5772/56640

Nel 2010 il prof. Andre Geim fu premiato con il premio Nobel grazie alle impressionanti proprietà elettriche del grafene misurate nei laboratori dell’Università di Manchester. 

Fu osservato che il grafene, tra le tante proprietà è un materiale molto stabile e chimicamente inerte e che la sua speciale struttura a nido d’ape gli conferisce una elevata rigidità. Inoltre ha un’enorme densità di corrente, due ordini di grandezza maggiore del rame. Questa elevata densità di corrente è dovuta ad una conduttività di tipo balistico, e cioè che gli elettroni si muovono nel cristallo ad alta velocità grazie all’assenza di difetti nel cristallo.

Maggiori informazioni: Konstantinos Spyrou and Petra Rudolf, An Introduction to Graphene. Chap. 1, Wiley Online Library (2014). https://doi.org/10.1002/9783527672790.ch1

Rivista: Wiley Online Library

 

 

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