Proprietà elettroniche
Una delle proprietà più utili del grafene è che è un semimetallo zero-overlap (con sia buchi che elettroni come portatori di carica) con una conducibilità elettrica molto alta. Gli atomi di carbonio hanno un totale di 6 elettroni; 2 nel guscio interno e 4 in quello esterno. I 4 elettroni del guscio esterno in un singolo atomo di carbonio sono disponibili per il legame chimico, ma nel grafene, ogni atomo è collegato ad altri 3 atomi di carbonio sul piano bidimensionale, lasciando 1 elettrone liberamente disponibile nella terza dimensione per la conduzione elettronica. Questi elettroni altamente mobili sono chiamati elettroni pi (π) e si trovano sopra e sotto il foglio di grafene. Questi orbitali pi si sovrappongono e aiutano a rafforzare i legami carbonio-carbonio nel grafene. Fondamentalmente, le proprietà elettroniche del grafene sono dettate dal legame e dall’anti-legame (le bande di valenza e di conduzione) di questi orbitali pi.
La ricerca combinata degli ultimi 50 anni ha dimostrato che nel punto di Dirac del grafene, gli elettroni e i buchi hanno massa effettiva zero. Questo accade perché la relazione energia – movimento (lo spettro delle eccitazioni) è lineare per le basse energie vicino ai 6 angoli individuali della zona di Brillouin. Questi elettroni e buchi sono conosciuti come fermioni di Dirac, o Graphinos, e i 6 angoli della zona di Brillouin sono conosciuti come i punti di Dirac. A causa della densità zero di stati nei punti di Dirac, la conduttività elettronica è in realtà piuttosto bassa. Tuttavia, il livello di Fermi può essere modificato dal drogaggio (con elettroni o buchi) per creare un materiale che è potenzialmente migliore nel condurre l’elettricità che, per esempio, il rame a temperatura ambiente.
I test hanno dimostrato che la mobilità elettronica del grafene è molto alta, con risultati precedentemente riportati sopra i 15.000 cm2-V-1-s-1 e limiti teoricamente potenziali di 200.000 cm2-V-1-s-1 (limitati dallo scattering dei fotoni acustici del grafene). Si dice che gli elettroni del grafene si comportano in modo molto simile ai fotoni nella loro mobilità a causa della loro mancanza di massa. Questi portatori di carica sono in grado di percorrere distanze inferiori al micrometro senza scattering; un fenomeno noto come trasporto balistico. Tuttavia, la qualità del grafene e il substrato utilizzato saranno i fattori limitanti. Con il biossido di silicio come substrato, per esempio, la mobilità è potenzialmente limitata a 40.000 cm2-V-1-s-1.
“In termini di quanto siamo lontani dalla comprensione delle vere proprietà del grafene, questa è solo la punta dell’iceberg. Prima che il grafene sia pesantemente integrato nelle aree in cui crediamo possa eccellere, dobbiamo passare molto più tempo a capire cosa lo rende un materiale così straordinario”
Forza meccanica
Un’altra delle proprietà del grafene è la sua forza intrinseca. Grazie alla forza dei suoi legami di carbonio lunghi 0,142 Nm, il grafene è il materiale più forte mai scoperto, con un carico di rottura di 130.000.000.000 Pascal (o 130 gigapascal), rispetto ai 400.000.000 dell’acciaio strutturale A36 o ai 375.700.000 dell’aramide (Kevlar). Non solo il grafene è straordinariamente forte, ma è anche molto leggero con 0,77 milligrammi per metro quadrato (per fare un confronto, 1 metro quadrato di carta è circa 1000 volte più pesante). Si dice spesso che un singolo foglio di grafene (essendo spesso solo 1 atomo), di dimensioni sufficienti a coprire un intero campo di calcio, peserebbe meno di 1 solo grammo.
Quello che lo rende particolarmente speciale è che il grafene contiene anche proprietà elastiche, essendo in grado di mantenere le sue dimensioni iniziali dopo lo sforzo. Nel 2007, sono stati effettuati dei test al microscopio a forza atomica (AFM) su fogli di grafene sospesi su cavità di biossido di silicone. Questi test hanno mostrato che i fogli di grafene (con spessori compresi tra 2 e 8 Nm) avevano costanti elastiche nell’ordine di 1-5 N/m e un modulo di Young (diverso da quello della grafite tridimensionale) di 0,5 TPa. Anche in questo caso, queste cifre superlative si basano su prospettive teoriche che utilizzano grafene privo di imperfezioni e attualmente molto costoso e difficile da riprodurre artificialmente, anche se le tecniche di produzione stanno migliorando costantemente, riducendo alla fine i costi e la complessità.
Proprietà ottiche
La capacità del grafene di assorbire un 2,3% piuttosto grande di luce bianca è anche una proprietà unica e interessante, soprattutto considerando che è spesso solo 1 atomo. Ciò è dovuto alle sue già citate proprietà elettroniche; gli elettroni si comportano come portatori di carica senza massa con una mobilità molto elevata. Qualche anno fa, è stato dimostrato che la quantità di luce bianca assorbita si basa sulla costante di struttura fine, piuttosto che essere dettata da specifiche del materiale. L’aggiunta di un altro strato di grafene aumenta la quantità di luce bianca assorbita di circa lo stesso valore (2,3%). L’opacità del grafene di πα ≈ 2,3% equivale a un valore di conduttività dinamica universale di G=e2/4ℏ (±2-3%) nella gamma di frequenze visibili.
Per saperne di più sulla nuova gamma di transistor a effetto campo di grafene per biosensori di Graphenea, clicca qui.
A causa di queste impressionanti caratteristiche, è stato osservato che una volta che l’intensità ottica raggiunge una certa soglia (nota come fluenza di saturazione) avviene un assorbimento saturabile (la luce ad altissima intensità causa una riduzione dell’assorbimento). Questa è una caratteristica importante per quanto riguarda il mode-locking dei laser a fibra. Grazie alle proprietà del grafene di assorbimento saturabile ultraveloce insensibile alla lunghezza d’onda, è stato ottenuto un blocco di modalità a banda intera utilizzando un laser a fibra dissipativa drogato con erbio in grado di ottenere una sintonizzazione della lunghezza d’onda fino a 30 nm.
In termini di quanto siamo lontani dalla comprensione delle vere proprietà del grafene, questa è solo la punta dell’iceberg. Prima che il grafene sia pesantemente integrato nelle aree in cui crediamo possa eccellere, dobbiamo passare molto più tempo a capire cosa lo rende un materiale così straordinario. Sfortunatamente, mentre abbiamo molta immaginazione nel proporre nuove idee per potenziali applicazioni e usi del grafene, ci vuole tempo per apprezzare appieno come e cosa sia realmente il grafene al fine di sviluppare queste idee in realtà. Questa non è necessariamente una cosa negativa, tuttavia, poiché ci dà l’opportunità di inciampare su altri super-materiali precedentemente poco studiati o trascurati, come la famiglia di strutture cristalline 2D che il grafene ha fatto nascere.