Applicazioni industriali di materiali compositi a base di grafene

Le proprietà del grafene dipendono dalla sua struttura reticolare. Esso infatti ha un reticolo cristallino esagonale e ciò è dovuto alla ibridazione sp, ciò permette agli orbitali ibridi di disporsi su di un unico piano e formare angoli di 120°. La formazione dei doppi legami è dovuta alla particolare configurazione degli orbitali σ a simmetria assiale e uno π ottenuto dalla sovrapposizione dei 2p non-ibridi. (Fig. 2.1)

Il grafene è un materiale bidimensionale, è ultrasottile (il suo spessore infatti è di un solo atomo), ha una elevata resistenza meccanica ed è flessibile. Conduce l’elettricità meglio del rame ed è un ottimo conduttore termico, resiste ad alte temperature e a variazioni di pH, mantiene inalterate le sue proprietà per un grande range di temperature e ha eccezionali caratteristiche che interessano il campo dell’elettronica che sicuramente lo vedranno prendere il posto del silicio nell’elettronica del futuro. Qui di seguito verranno mostrate le proprietà di maggiore interesse per l’industria meccanica.

Proprietà meccaniche: abbiamo già detto che il grafene ha una grande resistenza meccanica, esso si comporta come un foglio di carta: tirandolo lungo il piano mostra un’alta resistenza ma basta una minima forza, come quella di un soffio, per farlo sollevare e ripiegare su se stesso. Il grafene non è solo resistente ma anche leggerissimo, infatti la sua densità superficiale è pari a 0,77mg/m2, un valore ben 1000 volte più piccolo della densità della carta. Potendo coprire un campo da calcio con uno strato di grafene esso non peserebbe neanche 6 grammi. L’articolo di annuncio del premio Nobel descriveva questa caratteristica del grafene facendo l’esempio di una eventuale amaca di 1m2 che sarebbe in grado di reggere il peso di un gatto di 4kg pesando solo quanto un suo baffo.
Tramite metodi complessi, quali AFM (Atomic Force Microscopy) e spettroscopia Raman , gruppi di ricercatori hanno determinato le proprietà meccaniche del grafene a singolo, doppio e multi strato. Sono riportate nella tabella di seguito:

Proprietà termiche: la conducibilità termica del grafene è stata misurata tramite spettroscopia micro-Raman confocale (Fig. 2.2) ed i valori trovati per il singolo strato di grafene sono in un range di 3080-5000 W/mK , con una dipendenza lineare rispetto alla grandezza dei fiocchi di grafene. Valori elevati se si confrontano con quelli del diamante(1600 W/mK) o del rame(390 W/mK).