Perché il grafene è così speciale?
La grafite è un buon conduttore di cariche elettriche, ma il modo in cui le conduce è abbastanza convenzionale, simile a quello dei metalli. Se però si assottiglia la grafite sino ad arrivare a pochi strati di grafene, gli elettroni sono costretti a muoversi lungo il piano di questi fogli. In un singolo foglio di grafene, il movimento degli elettroni è praticamente bidimensionale. Così gli elettroni sono costretti a viaggiare attraverso il reticolo del grafene e questa struttura periodica influenza il loro modo di essere, al punto che gli elettroni viaggiando nel grafene diventando equivalenti a particelle senza massa simili a neutrini, ma elettricamente carichi.
“Studiare l’elettrodinamica quantistica in laboratorio e a temperatura ambiente è come avere il Cern sulla scrivania”
Questo cambiamento non è dovuto a una qualche proprietà “magica” del grafene, bensì alla simmetria esagonale del suo reticolo. Gli elettroni nel grafene acquisiscono così un’altissima mobilità, cento volte maggiore di quella che hanno, ad esempio, nei pur velocissimi transistor al silicio; si comportano come particelle balistiche, piccoli proiettili che viaggiano per distanze molto grandi (su scala microscopica) senza essere deviati.
Il comportamento unico degli elettroni nel grafene permise immediatamente di osservare interessanti fenomeni quantistici, a temperatura ambiente e in campioni prodotti semplicemente usando del nastro adesivo. Poter fare esperimenti di elettrodinamica quantistica senza usare acceleratori di particelle e a temperatura ambiente era come, citando le parole di Andrej Gejm, «avere il Large Hadron Collider del Cern sulla scrivania».
Anche se le proprietà elettroniche e fisiche furono le prime a eccitare gli scienziati, il grafene ha molte altre proprietà eccezionali. È molto stabile meccanicamente: un singolo foglio di grafene, spesso quanto un solo atomo, può essere manipolato e deformato, resistendo a pressioni anche elevate. Può condurre elettroni più velocemente del silicio, come già accennato, e trasportare calore meglio del rame. A causa della sua struttura compatta è praticamente impermeabile alle molecole e a tutti i gas. Come la grafite, è chimicamente stabile all’aria e alla luce. Si può inoltre modificare (funzionalizzare) chimicamente per cambiarne le proprietà. Le eccezionali caratteristiche di questo materiale lo rendono promettente per svariate applicazioni e sono centinaia, in tutto il mondo, i gruppi di ricerca che stanno cercando di portare questo materiale dal banco di laboratorio allo sviluppo di una nuova tecnologia e di prodotti a base di grafene.
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