Il grafene, una forma bidimensionale di carbonio cristallino, o un singolo strato di atomi di carbonio che formano un reticolo a nido d'ape (esagonale) o diversi strati accoppiati di questa struttura a nido d'ape. La parola grafene, se utilizzata senza specificare la forma (ad esempio, grafene a doppio strato, grafene a più strati), di solito si riferisce al grafene a strato singolo. Il grafene è una forma madre di tutte le strutture grafitiche del carbonio: la grafite, che è un cristallo tridimensionale costituito da strati di grafene relativamente debolmente accoppiati; nanotubi, che possono essere rappresentati come rotoli di grafene; e buckyball, molecole sferiche fatte di grafene con alcuni anelli esagonali sostituiti da anelli pentagonali.
Primi studi di grafene
Lo studio teorico del grafene fu iniziato nel 1947 dal fisico Philip R. Wallace come primo passo per comprendere la struttura elettronica della grafite. Il termine grafene è stato introdotto dai chimici Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton ed Eberhard Stumpp nel 1986 come una combinazione della parola grafite, che si riferisce al carbonio nella sua forma cristallina ordinata, e il suffisso -ene, che si riferisce agli idrocarburi policiclici aromatici in cui gli atomi di carbonio formano strutture ad anello esagonali o a sei facce.
Nel 2004 i fisici dell'Università di Manchester Konstantin Novoselov e Andre Geim e colleghi hanno isolato il grafene a strato singolo usando un metodo estremamente semplice di esfoliazione dalla grafite. Il loro "metodo scotch-tape" utilizzava il nastro adesivo per rimuovere gli strati superiori da un campione di grafite e quindi applicare gli strati su un materiale di supporto. Quando il nastro è stato rimosso, un po 'di grafene è rimasto sul substrato in forma di strato singolo. In effetti, la derivazione del grafene non è un compito difficile da solo; ogni volta che qualcuno disegna con una matita su carta, la traccia della matita contiene una piccola frazione di grafene a singolo strato e multistrato. Il risultato del gruppo di Manchester non è stato solo quello di isolare i fiocchi di grafene, ma anche di studiarne le proprietà fisiche. In particolare, hanno dimostrato che gli elettroni nel grafene hanno una mobilità molto elevata, il che significa che il grafene potrebbe essere utilizzato in applicazioni elettroniche. Nel 2010 Geim e Novoselov hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per il loro lavoro.
In questi primi esperimenti, il substrato per il grafene era silicio naturalmente coperto da un sottile strato trasparente di biossido di silicio. Si è scoperto che il grafene a strato singolo ha creato un contrasto ottico con il biossido di silicio che era abbastanza forte da rendere visibile il grafene al microscopio ottico standard. Questa visibilità ha due cause. Innanzitutto, gli elettroni nel grafene interagiscono fortemente con i fotoni nelle frequenze della luce visibile, assorbendo circa il 2,3 percento dell'intensità della luce per strato atomico. In secondo luogo, il contrasto ottico è fortemente migliorato da fenomeni di interferenza nello strato di biossido di silicio; questi sono gli stessi fenomeni che creano i colori dell'arcobaleno in film sottili come film di sapone o olio sull'acqua.
