Nanotubi in carbonio – Grafene

Il grafene è provvisto di una struttura monoatomica di carbonio, ciò significa che ha uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo.

disposizione degli atomi di carbonio nel grafeneLa particolare caratteristica dei nanotubi di carbonio è di coadiuvare al proprio interno la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica.

Gli atomi di carbonio sono ibridati nella forma sp², e si dispongono quindi a formare esagoni con angoli di 120°.

Il grafene è superiore ad almeno altri tre materiali, con cui condivide le caratteristiche specifiche ma rispetto ai quali ha ulteriori vantaggi d’impiego. 
Il grafene supera il diamante in quanto a durezza, ma al contrario di esso è super-flessibile. Rispetto al rame e all’argento, il grafene risulta una scelta più oculata in quanto li supera rispettivamente in conduzione di calore e conduzione elettrica.

Nella creazione di nuovi materiali il grafene va ad identificarsi come candidato ideale, grazie alle proprie caratteristiche di elasticità, robustezza, e resistenza al calore.

Proprietà elettriche

L’essere un buon conduttore di energia elettrica è una delle principali proprietà del grafene. Gli atomi di carbonio hanno un totale di 6 elettroni, 2 interni e 4 esterni. In un atomo di carbonio individuale i 4 elettroni esterni si rendono disponibili per il legame chimico.

Cosa rende il grafene un buon conduttore di elettricità?

Ciò che differenzia il grafene è che solamente 3 dei suoi 4 elettroni esterni sono collegati ad altri 3 atomi di carbonio, mentre invece un elettrone viene lasciato libero e quindi completamente disponibile per la conduzione elettronica. Questi elettroni altamente mobili sono chiamati Pi (π) elettroni e si trovano sopra e sotto il foglio di grafene. Sovrapponendosi, tali orbitali Pi contribuiscono a migliorare i legami di carbonio nel grafene.

Resistenza meccanica

Un’ altra importante proprietà del grafene è la sua resistenza meccanica. Grazie alla forza dei suoi legami di carbonio lunghi 0,142 Nm, il grafene è il materiale più resistente mai scoperto, con un carico di rottura di 130,000,000,000 Pascal (o 130 gigapascals), rispetto ai 400.000.000 per A36 acciaio strutturale, o 375,7 milioni dell’ aramide (Kevlar).

Non solo il grafene è straordinariamente forte, ma è anche molto leggero. Il grafene pesa infatti 0.77 mg/m2 (a fini comparativi, 1 metro quadrato di carta è di circa 1000 volte più pesante). Si dice spesso che un singolo foglio di grafene (essendo spesso solo 1 atomo), di dimensioni sufficienti per ricoprire un campo di calcio intero, peserebbe meno di 1 grammo.

Ciò che rende il grafene particolarmente speciale sono anche le sue proprietà elastiche, il grafene è infatti in grado di ritornare alla sua dimensione iniziale successivamente ad uno sforzo. Nel 2007 sono stati eseguiti studi su fogli di grafene sospesi sopra delle cavità di biossido di silicio. Queste prove hanno dimostrato che i fogli di grafene (con spessori compresi tra 2 e 8 Nm) avevano costanti elastiche nella regione di 1-5 N / m ed un modulo di Young (diversa da quella della grafite tridimensionale) di 0,5 tPA