Graphene, il super materiale in 2D

18/06/2020

Versatile e dalle infinite applicazioni, il grafene in soli 15 anni ha rivoluzionato il mondo scientifico.

Annamaria Rubbo

Nel 2004, in un laboratorio dell’università di Cambridge, due scienziati hanno cambiato il mondo con un rotolo di nastro adesivo. Geim e Novoselov, questo il nome dei due fisici, hanno “staccato” un singolo strato di grafite usando del comune scotch tape, dando inizio alla nuova era dello sviluppo tecnologico.
Il “metodo dello scotch” si è rivelato così semplice che lo studio del nuovo materiale è cresciuto rapidamente in tutto il mondo.

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio a forma esagonale. La definizione ufficiale data dalla IUPAC è «Uno strato singolo di atomi di carbonio ordinati secondo la struttura della grafite può essere considerato come l’elemento finale della serie naftalene, antracene, coronene, ecc. e la parola grafene va quindi utilizzata per indicare gli strati singoli di carbonio all’interno dei composti della grafite. Il termine “strato di grafene” è comunemente utilizzato all’interno della terminologia del carbonio.» Il grafene può essere definito il “materiale dei superlativi”. Fortissimo, flessibilissimo e leggerissimo, è anche trasparente, impermeabile e ha una conducibilità elettrica del 60% superiore a quella del rame.

 

Proprietà e possibili applicazioni del grafene

ll grafene ha svariate proprietà. E’ molto stabile meccanicamente, infatti un singolo foglio di grafene, spesso quanto un atomo, può essere manipolato e deformato resistendo alle sollecitazioni.

E’ poi praticamente impermeabile ai gas ed è uno straordinario conduttore elettrico e termico, oltre che incredibilmente leggero e flessibile, trasparente e potenzialmente 200 volte più resistente dell’acciaio.

I campi di applicazione del grafene sono numerosi e in parte ancora fantascientifici, ma di sicuro interesse economico, al punto che l’Unione Europea ha finanziato il Graphene Flagship, iniziativa che prevede l’investimento di 1 miliardo di euro in 10 anni (2013-2023) con il compito di portare il grafene dai laboratori accademici al mercato.

L’Italia è capofila in questo innovativo e ambizioso progetto, con il CNR alla vice-presidenza della Flagship e numerosi gruppi di ricerca impegnati in molteplici campi.

La roadmap della Graphene Flagship mostra con precisione e semplicità quali saranno gli sviluppi dello studio del grafene nei prossimi 10 anni.

Analizziamo nel dettaglio i campi di applicazione e alcune tra le innovazioni tecnologiche più interessanti in ciascun settore di utilizzo del grafene.

1. Nanobiotecnologie – Le proprietà antibatteriche dell’ossido di grafene
Un team di fisici e biotecnologi dell’Università Cattolica del Sacro Cuore di Roma e l’Istituto di Sistemi Complessi del CNR (ISC-CNR) ha intuito le proprietà antimicrobiche e di contrasto all’immunoresistenza dell’ossido di grafene, che stabilizzato in una soluzione può trovare impiego come antibatterico di strumenti chirurgici e medici, contribuendo a ridurre le infezioni e l’utilizzo di antibiotici in fase post-operatoria.

2. Ingegneria aerospaziale – Rivestimento avanzato per tubi di calore in uso sui satelliti
Nell’ambito della Graphene Flagship, i ricercatori del CNR in collaborazione con l’ESA (agenzia spaziale europea) hanno dato il via test di volo parabolico a gravità zero per provare dispositivi di gestione termica a base di grafene per applicazioni spaziali. In questo avveniristico progetto, il grafene viene utilizzato come rivestimento avanzato per i tubi di calore, con lo scopo di studiarne le potenzialità nelle future esplorazioni dello spazio.

3. Edilizia – Cemento “mangia-smog”Secondo l’OMS, una morte su nove è da imputarsi allo smog nelle città; la sfida dell’edilizia 4.0 è trovare materiali che non solo siano a impatto 0, ma possano anche contribuire a migliorare le condizioni del pianeta. Un team di scienziati dell’università di Cambridge, in collaborazione con la Italcementi HeidelbergCement Group, ha sviluppato un cemento fotocatalitico “mangia-smog” accoppiando il grafene al più comune e utilizzato fotocatalizzatore, il biossido di titanio.

4. Green technology – Nano-fogli di grafene per catturare contaminanti nell’acqua potabile
Un nuovo composito, messo a punto dai ricercatori degli Istituti per la sintesi organica e fotoreattività e per la microelettronica e microsistemi del CNR, che rende più efficaci i filtri per rimuovere principi attivi di farmaci, cosmetici o detergenti presenti nella rete idrica e spesso non eliminati dai trattamenti convenzionali.

5. Abbigliamento – Vestiti “anti-zanzara”
Le zanzare sono il principale veicolo di trasmissione di malattie umane, e i mezzi chimici per tenerle lontane sono deleteri per l’ambiente e potenzialmente pericolosi per l’uomo. L’ossido di grafene crea una barriera chimica che impedisce alle zanzare di “sentire” la presenza dell’essere umano. La prossima sfida per i ricercatori è creare un tessuto composto di ossido di grafene che sia confortevole e traspirante.

6. Elettronica – Antenne NFC
La tecnologia “Near-Field Communication” (NFC) è un insieme di protocolli di comunicazione che consente a due dispositivi elettronici di trasferire i dati in maniera sicura. I ricercatori dell’Istituto per la sintesi organica e la fotoreattività del CNR hanno mostrato che è possibile utilizzare grafene per la produzione di antenne NFC completamente flessibili, resistenti e applicabili su diversi supporti.

 

Finora abbiamo analizzato le potenzialità del grafene, molte delle quali restano non applicabili su larga scala a causa di un enorme ostacolo, rappresentato dal costo elevato di estrazione del grafene, stimato in un range che va dai 67.000 ai 200.000 euro per 1 tonnellata di materiale.

La ricerca si muove anche in questa direzione, proponendo modalità di produzione del grafene a basso costo. Tra di queste si presenta come particolarmente interessante la tecnica di estrazione del grafene dalla spazzatura, messa a punto dai ricercatori della Rice University.

La metodologia, ancora da studiare, promette di essere veloce, efficiente ed economica, e sarebbe una risposta ad un annoso problema del mondo contemporaneo, lo smaltimento dei rifiuti, soprattutto di quelli di plastica. A differenza della deposizione chimica da vapore in cui una fonte di carbonio (tipicamente metano) viene pompata in una camera per forzare una reazione chimica e lasciare un foglio spesso solo un atomo sulla superficie di un substrato sottile, questo innovativo metodo di estrazione è molto più conveniente economicamente, in quanto può convertire la spazzatura in grafene letteralmente in un lampo.

Il processo sfrutta l’Effetto Joule, mediante il quale la corrente elettrica viene fatta passare attraverso un materiale conduttivo per generare calore. In tal modo è possibile riscaldare qualsiasi materiale contenente carbonio fino a circa 3.000 Kelvin (circa 2.730 °C) trasformandolo in scaglie di grafene in appena 10 millisecondi, e convertendo gli elementi non carboniosi presenti nel rifiuto in gas utili.

L’aspetto più conveniente di questa tecnica sta nella possibilità di trasformare una vasta gamma di prodotti di scarto in grafene. Dalla buccia di banana alla plastica, dal coke petrolifero al legname, qualunque rifiuto contenente carbonio può essere “trasformato” in grafene.

Se venisse applicato su larga scala, questo metodo potrebbe ridurre significativamente la quantità di rifiuti in plastica presenti nell’ambiente, dando vita a un materiale dalle molteplici possibilità.

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