Quando sarà comunemente usato il grafene?

Se leggi molte notizie di scienza e tecnologia, potresti avere l'impressione che il grafene sia buono in tutto. Il grafene, una forma di carbonio spessa solo un atomo, ha proprietà elettroniche, ottiche e meccaniche davvero superlative. Ma alcune applicazioni previste per il grafene, come nei computer, sembrano non essere realistiche. Tuttavia, il materiale può diventare un componente chiave in display elettronici flessibili, batterie ad alta energia e altri prodotti.

Un modello della struttura del grafene.

Elettronica super veloce

Nel 2004, i ricercatori dell'Università di Manchester guidati da Andrei Geim e Costantino Novoselov sono stati i primi a isolare il grafene e a testarne le proprietà elettriche ( PDF ). Hanno prodotto il grafene schiacciando piccoli frammenti di grafite e staccandoli con del nastro adesivo, strato dopo strato, fino a ottenere maglie di carbonio spesse un atomo. Per questo lavoro, la coppia ha vinto il Premio Nobel 2010 per la Fisica . Il grafene, loro e altri hanno scoperto, è strano. Esibisce quella che viene chiamata conduzione balistica: la carica elettrica si muove attraverso il materiale senza ostacoli, molto più velocemente che nel silicio, il materiale utilizzato per realizzare i circuiti integrati di oggi.

All'inizio, i ricercatori erano molto entusiasti della possibilità del calcolo del grafene. Ma non aspettarti di trovare un processore al grafene nel tuo prossimo laptop. Il grafene non è un semiconduttore, il che significa che non può essere commutato dal suo stato conduttivo a uno stato isolante senza che i ricercatori eseguano un sacco di armeggiare e manipolare il materiale. Senza un forte stato di spegnimento che corrisponda alla loro accensione, è improbabile che gli interruttori al grafene sostituiscano il silicio nella logica digitale.

Le proprietà elettriche del grafene sono molto più adatte ai circuiti analogici, del tipo utilizzato nelle telecomunicazioni. Ad esempio, nel 2011 IBM ha dimostrato circuiti veloci di grafene del tipo utilizzato nelle applicazioni di telecomunicazione.

Roba forte

Alcune delle migliori proprietà del grafene sono meccaniche. È flessibile ed elastico. Nel 2008, i ricercatori della Columbia University hanno dimostrato che il grafene era il materiale più resistente mai testato. I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas, guidati da Ray Baughman , hanno lavorato per sfruttare questa combinazione di forza, flessibilità e alta conduttività in tessuti in grafene . I filati di grafene possono essere trasformati in muscoli artificiali o combinati con materiali per batterie per alimentare l'elettronica indossabile. Questo documento spiega un possibile progetto .

Un'importante pietra miliare per la commercializzazione del grafene è stata quella di andare oltre il cosiddetto metodo del nastro adesivo utilizzato per produrre piccole scaglie di grafene di alta qualità, una alla volta. Nel 2013 i ricercatori guidati da Rodney Ruoff presso l'Università del Texas ad Austin ha coltivato grafene di alta qualità su vaste aree depositando il carbonio di un gas su fogli di rame in condizioni attentamente controllate (maggiori informazioni possono essere trovate in questo carta ). Questo è importante: solo il grafene di alta qualità mostra una conduzione balistica. Nel 2014, Samsung ha mostrato come poteva crescere grafene su una superficie alternativa, germanio.

Alcuni dei colleghi di Ruoff all'Università del Texas ad Austin si sono basati sul suo lavoro di crescita del grafene per realizzare circuiti di telecomunicazioni robusti e flessibili. Questi dispositivi sono abbastanza resistenti da poter essere guidati con un'auto e possono sopravvivere a un tuffo nell'acqua. Deji Akinwande ha dimostrato questi dispositivi in ​​un documento nel 2013 e ha collaborato con Corning e 3M per aumentare la produzione.

Possibilità di potenza

Le applicazioni più vicine alla commercializzazione sfruttano la conduttività e la resistenza meccanica del grafene e lo utilizzano come materiale per elettrodi. Può fungere da sostituto flessibile dell'ossido di indio-stagno come elettrodo conduttivo trasparente per display touch-screen, ad esempio. Nel settembre 2014, il Cambridge Graphene Center e la società di elettronica Logica plastica dimostrato a display flessibile mediante elettrodi di grafene .

L'aggiunta di grafene agli elettrodi della batteria potrebbe rendere le batterie ad alta energia, che aiuteranno le auto a guidare più lontano e far durare più a lungo l'elettronica tra una carica e l'altra, più stabili dal punto di vista meccanico. Nel 2011, i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno utilizzato il grafene sandwich e stabilizzare elettrodi della batteria di stagno. Uno di questi ricercatori, Yuegang Zhang, ha successivamente trasferito il suo laboratorio in Cina nella speranza di commercializzare questo lavoro più rapidamente. Nel 2014, il suo gruppo presso l'Accademia cinese delle scienze ha dimostrato che i sandwich al grafene si stabilizzano elettrodi di zolfo .

I ricercatori dell'Università della California, Los Angeles, lo sono esplorando se il grafene potrebbe essere utilizzato per l'accumulo di energia in nuovi tipi di supercondensatori, che si caricherebbero molto più velocemente delle batterie e manterrebbero la stessa potenza (maggiori informazioni sono in questo articolo .)

L'asporto:

Il lavoro pionieristico di Geim e Novoselov è stato pubblicato solo 11 anni fa, e questo è poco tempo nella scienza dei materiali. Il pieno impatto del grafene, nell'elettronica flessibile resistente e nei dispositivi indossabili, è ancora lontano anni. Nel frattempo, aspettati sviluppi minori, come una prossima lampadina a LED il cui filamento è rivestito di grafene per aumentarne la durata e diminuire il consumo di energia.

Grazie a Ron Waldron per questa domanda. Invia il tuo a [email protected] .

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