Grafite e grafene: qual è la differenza?

Pur essendo entrambi carbonio, la grafite e il grafene non potrebbero essere più diversi. Hanno una serie di caratteristiche speciali che ne consentono l'utilizzo in vari campi. In questo articolo scoprirete le loro strutture, i loro usi e i loro costi. Entriamo nel vivo.

Grafite vs grafene

Che cos'è la grafite

La grafite (un allotropo del carbonio) è un foglio di carbonio a griglia esagonale. La sensazione di lubrificazione del grafene deriva dalla capacità degli strati di scivolare l'uno sull'altro. La grafite si trova oggi negli oggetti di uso quotidiano, dalle matite ai lubrificanti e persino alle batterie. È ancora un conduttore (anche se non così conduttivo come il grafene, a causa del fatto che è stratificato). Economica e relativamente abbondante, è un candidato privilegiato per molti usi industriali.

Che cos'è il grafene

Il grafene è una disposizione a nido d'ape di atomi di carbonio in un unico strato. Il suo spessore è di un solo atomo, il che significa che il materiale può essere sottilissimo e comunque molto resistente. Viene spesso definito il "materiale miracoloso" per la sua leggerezza e quasi trasparenza, ma anche perché è più forte di qualsiasi altra cosa che abbiamo mai incontrato, con una conducibilità elettrica di tutto rispetto. È 200 volte più forte dell'acciaio e ha uno spessore di un solo atomo. Le applicazioni sono numerose, dall'elettronica ai dispositivi medici, e sebbene il materiale sia relativamente abbondante in natura la sua creazione è stata costosa e difficile.

Struttura

Strati vs. singolo strato

Grafite: È costituita da numerosi strati di fogli di carbonio sovrapposti. Poiché questi strati si legano debolmente tra loro, possono facilmente scivolare l'uno sull'altro. Per questo motivo la grafite viene percepita come scivolosa nella nostra mano e si comporta anche come un lubrificante.

Grafene: un singolo strato a nido d'ape di atomi di carbonio, un materiale spesso un atomo con una resistenza e una flessibilità eccezionali.

Differenze di legame

Grafite: Poiché gli strati sono tenuti insieme da forze primitive di van der Waals, la grafite è facile da spaccare o rompere.

Grafene: gli atomi di carbonio sono legati in modo molto stretto all'interno del singolo strato, il che conferisce al grafene una forza e una flessibilità formidabili.

Proprietà della grafite e del grafene

Conducibilità elettrica

Grafite: Anche la grafite trasferisce l'elettricità grazie agli elettroni liberi di muoversi tra i suoi strati, ma quelli senza fogli aggiuntivi di grafene non sono altrettanto conduttivi. La resistenza si presenta quando gli strati sono separati da una distanza sufficiente.

Grafene: uno dei migliori conduttori elettrici conosciuti Poiché gli elettroni possono attraversarlo praticamente senza resistenza, il grafene è un elemento naturale per l'elettronica ad alta velocità.

Resistenza meccanica

Grafite: Morbida e fragile. La grafite si spezza facilmente, per questo viene utilizzata per le mina delle matite. Diventa facilmente fragile perché gli strati sono tenuti insieme solo da legami deboli.

Grafene: è estremamente resistente, 20 volte più dell'acciaio. Sebbene abbia uno spessore di un solo atomo di carbonio, la struttura del grafene è dovuta al suo forte reticolo cristallino e al fatto che ogni legame C-C ha una forza equivalente a quella del doppio della lunghezza.

4.3Conduttività termica

Grafite: Conducibilità termica decente, per cui trova largo impiego, ad esempio, nel raffreddamento passivo.

Grafene: eccezionale conduttività termica. È uno dei migliori conduttori di energia termica, quindi è un'ottima scelta per il raffreddamento dei componenti elettrici.

Applicazioni

Grafite

Matite: Le matite utilizzano la grafite come "mina" perché non macchia o sbavatura troppo, segna facilmente una superficie e poi si cancella quando serve. La grafite è composta da fogli in uno strato, quindi possono scrivere con una pressione minima e lasciare un segno sulla carta.

Lubrificanti: Essendo scivolosa, viene inclusa nei lubrificanti per evitare l'attrito tra i macchinari. Poiché gli strati di grafite sono scivolosi, permettono di scivolare facilmente gli uni sugli altri creando una barriera solida che riduce l'usura delle parti a causa del movimento.

Batterie: La grafite è un elemento intrinseco che può svolgere due funzioni principali all'interno di un anodo di una batteria agli ioni di litio: stabilità e accumulo efficiente di energia. Questa struttura a strati permette agli ioni di litio di entrare e uscire facilmente durante i cicli di carica/scarica.

Acciaieria: Durante la produzione dell'acciaio, viene generalmente utilizzato come materiale refrattario per resistere ad alti livelli di calore. A tal fine, l'isolante rivestimenti nelle fonderie e nei forni di rivestimento devono mantenere una temperatura costante, un requisito assoluto per la produzione di acciaio di alta qualità.

Grafene

Elettronica: Poiché il grafene è un eccellente conduttore di elettricità, una possibilità suggerita da due nuovi esperimenti condotti presso il Berkeley Lab e l'UC San Diego potrebbe essere quella di utilizzarlo al posto del silicio nei chip per computer, consentendo di ottenere dispositivi più veloci che funzionino in modo più freddo e che (idealmente) consumino meno energia per ogni calcolo. L'elevata mobilità degli elettroni lo rende ideale per la velocità di commutazione necessaria alle future tecnologie informatiche.

Dispositivi medici: La biocompatibilità e la sensibilità del grafema lo rendono ideale per i biosensori, i sistemi di somministrazione di farmaci e l'ingegneria dei tessuti, ecc. La non tossicità e la compatibilità con i sistemi biologici lo rendono interessante per l'uso nella diagnostica medica o nei trattamenti terapeutici.

Immagazzinamento di energia: I supercondensatori e le batterie avanzate potrebbero utilizzare il grafene in futuro per consentire tempi di ricarica più rapidi e un maggiore accumulo di energia. Grazie alla sua elevata area superficiale e alla sua conduttività, è possibile migliorare le prestazioni dei dispositivi di stoccaggio dell'energia, rendendoli più duraturi.

Materiali compositi: Il grafene può essere combinato con altri materiali, come metalli e plastiche, per renderli più leggeri e allo stesso tempo più resistenti o elettricamente conduttivi. Le potenziali applicazioni di questi compositi rinforzati con grafene sono la riduzione del peso, l'aumento dell'efficienza del carburante e il miglioramento delle prestazioni complessive dell'ablazione.

Grafite vs grafene: costo

Grafite: Basso

Abbondanza: La grafite è disponibile a basso costo in forma comune e naturale Estratta in tutto il mondo, è un minerale facilmente reperibile ed efficiente dal punto di vista dei costi.

Costi di produzione: grazie ai suoi bassi costi di produzione e lavorazione, la grafite è adatta all'uso in molte applicazioni industriali.

Grafene: alto

Sfide di produzione: Produrre grafene è molto più difficile che produrre grafite. Sebbene l'h-BN monostrato possa ora essere preparato con metodi a umido, gli approcci di fabbricazione esistenti, come la deposizione chimica da vapore (CVD) e le tecniche di esfoliazione, rimangono costosi e non sono facilmente scalabili per la produzione su larga scala. Rimangono costosi e non sono facilmente scalabili per la produzione su larga scala.

Tendenza dei prezzi: Nonostante la tendenza al ribasso dei prezzi del grafene, il costo di questo materiale è molto più alto di quello della grafite. Attualmente si sta lavorando per creare metodi di produzione del grafene più efficienti dal punto di vista dei costi, in modo che il materiale diventi commercialmente redditizio.

Conclusione

La grafite e il grafene condividono alcune proprietà uniche simili tra loro, che li rendono un importante gruppo di materiali. Di conseguenza, possiamo considerare il grafene come il passo finale nell'evoluzione del carbonio. La grafite è stata al servizio delle industrie per decenni, ma il grafene è quello che molti ritengono il vero game changer, in grado di sconvolgere molti campi in diversi settori. Se, grazie alle ricerche in corso, si riuscirà a produrre grafene in modo più semplice ed economico, un mondo in cui questo materiale ultraterreno è il re potrebbe non essere troppo lontano. Sia che si rispetti il pragmatismo della grafite, sia che ci si lasci sedurre dal potenziale del grafene. Entrambi dovranno lavorare insieme per progredire nella tecnologia e nell'industria.