Dal grafene agli MXenes: quale futuro ci attende?

Risale al 2004 la scoperta del grafene, avvenuta grazie a due ricercatori dell’università di Manchester: un evento che ha costituito una tappa molto importante per l’evoluzione delle nanoscienze. Da allora, infatti, ci si è concentrati su un universo del tutto inedito, rappresentato dai materiali bidimensionali. Eppure il grafene da lungo tempo fa parte della nostra vita di tutti i giorni, visto che è uno dei foglietti caratterizzati da uno spessore monoatomico da cui è composta la grafite, che si utilizza per le matite. Dopo che il grafene è stato isolato – un’idea che è valsa niente meno che il premio Nobel – è stato più semplice capire e verificare le sue notevoli proprietà.

Come è fatto il grafene

Il grafene è costituito unicamente da atomi di carbonio che sono uniti gli uni con gli altri in una struttura a esagoni attraverso un legame covalente. La grafite, invece, è composta da fogli singoli, sovrapposti l’uno all’altro e tenuti insieme con legami meno forti rispetto ai legami chimici: questa è la ragione per la quale è piuttosto facile ricavare il grafene a partire dalla grafite che viene esfoliata. Tale materiale si contraddistingue per una conformazione tale da dare origine a una specie di autostrada per gli elettroni, i quali possono spostarsi senza problemi: ecco perché il grafene si considera un semiconduttore sui generis.

Le proprietà meccaniche

Al pari dei nanotubi di carbonio, che possono essere ritenuti dei parenti molto stretti del grafene, questo materiale vanta eccellenti proprietà meccaniche che contribuiscono ad incrementare la sua resistenza, più elevata di quella dell’acciaio di centinaia di volte. E, nonostante questo, il grafene può essere deformato senza fatica. Come si può intuire, si tratta di caratteristiche a dir poco speciali, al punto che nel corso degli ultimi anni si è concretizzata una sorta di corsa al grafene che ha portato a un flusso continuo di applicazioni e di scoperte più o meno rivoluzionarie legate a questa tecnologia.

Le prospettive per il futuro

Attorno al grafene sono sorte aspettative davvero importanti, al punto che varie imprese e perfino alcuni Stati hanno deciso di procurarsi grafite in grandi quantità, in modo da poter contare su scorte notevoli della materia prima dalla quale il grafene viene ottenuto. Va detto, però, che almeno per il momento queste attese non sono state rispettate in pieno, se è vero che a più di 15 anni di distanza dalla scoperta non abbiamo ancora a che fare con le applicazioni straordinaria che ci si aspettava.

Il nano mondo

Questo non vuol dire che il grafene sia privo di meriti: per esempio, ha permesso di verificare le potenzialità del nano mondo. Ci sono ancora un sacco di materiali bidimensionali che possono essere scoperti, e ognuno di questi non è che un foglio molto sottile, con lo stesso spessore di un atomo. Dopo il grafene, dunque, ci si è imbattuti in materiali 2D che presentano una struttura a strati non molto diversa da quella della grafite. I singoli fogli di tali materiali possono essere costituiti da due strati di tellurio, di selenio o di zolfo che ne racchiudono uno di tungsteno o di molibdeno: sono i cosiddetti dicalcogenuri di metalli di transizione.

I nuovi materiali 2D

Merita di essere citato, tra gli altri, il disolfuro di tungsteno, ed è piuttosto simile il disolfuro di molibdeno. In tutti e due i casi si parla di semiconduttori a band gap diretto: vuol dire che nel momento in cui vengono eccitati dalla luce visibile hanno la capacità di emettere luce. Sono tre gli strati atomici che compongono questi materiali. Ma che cosa succede quando i materiali 2D sono sovrapposti gli uni sugli altri? Si formano le cosiddette eterostrutture di Van der Waals, che sono dei sistemi stratificati che si possono impiegare, per esempio, per realizzare dispositivi avanzati per la fotonica e per l’optoelettronica.

Il grafene bianco

Il grafene bianco è un altro materiale 2D di eccezionali potenzialità: noto anche con il nome di nitruro di boro, è un semiconduttore con un band gap molto alto. Questo significa che per farlo condurre c’è bisogno di un’eccitazione nell’ultravioletto con luce di alta energia. Nel 2011, poi, sono stati creati i MXenes, o messeni: una famiglia di materiali bidimensionali che si pensa possa includere migliaia e migliaia di elementi. Prima che venissero scoperti, non si ipotizzava neppure che potessero esistere; adesso, invece, gli esperti del settore sono convinti che, almeno in teoria, possano esistere milioni di combinazioni potenziali che permettano la loro formazione. I composti ceramici sono costituiti da un metallo di transizione, da un elemento come il silicio o l’alluminio e da un atomo di azoto o di carbonio. Essi costituiscono le fasi MAX: togliendo un componente, poi, si può ricavare un carburo bidimensionale, che è un parente non troppo lontano del grafene stesso.