Strutture simili a quella del Grafene sono note dagli anni ’60, ma allora era difficile isolare i singoli piani in esse. Questo materiale meraviglioso fu isolato per la prima volta nel 2004, grazie ad Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester, mediante il metodo noto, come: il metodo “scotch-tape”. L’isolamento del Grafene, ai due Professori, gli è valso il Premio Nobel per la Fisica nel 2010.
Il Grafene (Gr) è un singolo strato monoatomico di atomi di carbonio ibridizzati sp2 disposti ad esagono con una distanza C-C di 0.142 nm.
Rappresenta il primo vero materiale (2D) bidimensionale cristallino. Presenta proprietà chimico-fisiche eccezionali, che lo rendono interessante in un gran numero di potenziali applicazioni. Grazie alla presenza di legami covalenti doppi tra gli atomi di carbonio risulta molto stabile fisicamente. È estremamente resistente e rigido (100 volte più dell’acciaio, modulo di Young 1.0TPa), trasparente, flessibile, leggerissimo. Ha un rapporto superficie/massa di 2600 m2/g. Inoltre, presenta, a temperatura ambiente, una conducibilità elettrica superiore a qualunque altra sostanza. Elevata è anche la conducibilità termica, 5.3×103 Wm/K e la trasmittanza ottica 97%.
Un’interessante proprietà applicativa è la sua capacità di agire come condensatore per accumulare energia elettrica. Ma la lista delle possibili applicazioni è infinita: materiali conduttori per touch, display, sensori, membrane, elettrodi per batterie, circuiti integrati, fotorilevatori, celle fotovoltaiche, transistors, quantum dots, dispositivi spintronici, sequencers del DNA, fuel cells, dispositivi di desalinizzazione dell’acqua, rivestimenti termici, rivestimenti per schermature, fluidi funzionali, pellicole impermeabili, barriere, inchiostri conduttivi, antenne, biosensori, dispositivi ottici, lubrificanti, dispositivi biomedicali, materiali di stampa 3D, vernici, materiali compositi ed altri ancora.
Il Grafene per via della sua struttura consente infinite modifiche.
I precursori del Gr, il GO (Grafene Ossido) ed il r-Go (Grafene Ossido Ridotto) che presentano gruppi ossidrilici (-OH) e carbossilici (-COOH) sono fortemente idrofili. La loro esfoliazione in acqua, o in altri solventi polari risulta facilitata, vista l’aumentata distanza tra piani (e la relativa diminuita interazione) causata dalla presenza di gruppi ossigenati.
Il GO a causa di una più elevata distanza tra piani risulta molto meno conduttivo.
Nella maggior parte dei casi per legare in maniera efficace il Go, o il r-Go ad altri materiali è necessario modificare la struttura geometrica, elettronica (con legami covalenti), o inserire altre modifiche stabili (dovute ad interazioni deboli); cioè è necessario funzionalizzare il precursore.
Grazie alla disponibilità sulla superficie, di questi gruppi ossidrilici, carbossilici ed epossidici è possibile quindi modificare la reattività del materiale introducendo una ampia varietà di nuove molecole a seconda delle esigenze produttive.
La funzionalizzazione, inoltre, facilita la dispersione dei nano-materiali (del Grafene). Una buona dispersione garantisce la stabilità del legame tra Graphene ed il materiale a cui è legato.
I diversi metodi di sintesi, i materiali di partenza, il tipo di funzionalizzazione influiscono sulle caratteristiche chimico-fisiche del Gr, o del precursore e di conseguenza del prodotto finito, realizzato con gli stessi.
I nostri diversi tipi di Grafene, vengono selezionati per migliorare:
- l’adesione tra materiali;
- la conducibilità elettrica, termica, o la fotoconducibilità dei materiali;
- la resistenza a determinati agenti chimici;
- le prestazioni meccaniche (resistenza a trazione, a flessione, a carico, a taglio, alla fatica, a compressione, all’abrasione etc.);
- l’impermeabilità a determinati gas, liquidi, o Sali
- l’antibattericità e la viricidicità.
Tali miglioramenti si raggiungono selettivamente, sia singolarmente, che in maniera combinata.
Infine, possiamo offrire un tipo di Grafene capace, in condizioni particolari, di favorire la crescita di altre strutture in maniera spontanea (auto-legami).