Fogli di grafene: il futuro dei pannelli fotovoltaici è in punta di matita

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Flessibile, sottile, resistente, trasparente, impermeabile, poco costoso e sostenibile. Stiamo parlando del grafene, il materiale del nuovo millennio che ha radici antiche che affondano nella nostra quotidianità. La storia degli uomini è fatta di scoperte e, di tanto in tanto, un nuovo materiale o elemento chimico apre le porte a nuove sperimentazioni. Dalla consegna del premio Nobel per la Fisica ad Andre Geim e Konstantin Novoselov nel 2010,la ricerca non si è fermata e nuove scoperte fanno ben sperare sulle future applicazioni del pronipote della grafite.

DALLA GRAFITE AL GRAFENE

La scoperta e il Nobel

La grafite è un minerale che si presenta in natura sotto forma di masse fogliacee o lamine di colore nero. La sua struttura atomica è costituita da atomi di carbonio che formano un reticolo di celle esagonali a strati ed ogni strato è legato agli altri attraverso le forze di Van der Waals. La sua temperatura di fusione è la più alta in natura (fonde a 3500 °C) ed è un ottimo conduttore di elettricità e calore.
Il grafene è un materiale ottenuto in laboratorio dall’esfoliazione della grafite ed è costituito da uno strato monoatomico di carbonio, organizzato secondo una struttura cristallina a celle esagonali. Il suo ridottissimo spessore di 0,3 nanometri ci permette di definirlo un materiale bidimensionale.
Esfoliare la grafite è un’operazione che compiamo tutti i giorni, disegnando o scrivendo, eppure solo nel 2004 Geim e Novoselov riuscirono a dimostrare di poter isolare il materiale più sottile al mondo attraverso l’ esfoliazione di un blocco di grafite. Il dispositivo ottenuto, basato su un singolo strato di grafene, aprì la strada per la validazione sperimentale delle teorie sulle proprietà meccaniche etecniche del materiale.

Tecniche di preparazione

L’esfoliazione della grafite può avvenire in due modi:

  • per esfoliazione meccanica, ovvero applicando una forza alla superficie dei cristalli di grafite per staccarne gli strati cristallini e ottenere il singolo strato. Geim e Novoselov hanno semplificato questo metodo utilizzando del semplice nastro adesivo. Si tratta del metodo dello scotch–tape e consiste nel pelare la grafite con un nastro adesivo sul quale si depositano i fiocchi. Il nastro viene ripiegato su se stesso e quindi riaperto per diverse volte. Alla fine del processo sul nastro resta uno strato sottilissimo di grafene che viene trasferito su un substrato isolante;
  • per esfoliazione chimica, cioè con l’uso di solventi chimici che si infiltrano tra gli strati di carbonio sfruttando l’idrofilia della grafite stessa. La successiva immersione in una vasca ad ultrasuoni permette di rompere i legami chimici che tengon insieme gli strati. In poche ore si possono ottenere dei fogli di grafene in sospensione liquida, uniti poi in un foglio più grande spruzzando il liquido su un supporto.

Quest’ultimo metodo permette di lavorare con un materiale dalle caratteristiche più stabilie facilita la produzione su larga scala, che invece il metodo meccanico non agevola. Tuttavia il problema che gli scienziati stanno risolvendo è legato proprio ai costi, monetari e ambientali, di quest’ultima procedura. Infatti un gruppo di studiosi della Toyohashi University of Technology coordinato da Yuji Tanizawa è riuscito ad “addomesticare” dei microorganismi raccolti in un fiume vicino al campus universitario, nella prefettura di Aichi, utilizzandoli per produrre i fogli di grafene. Il nuovo metodo, presentato sulle Conference Series del Journal of Physics, potrebbe definirsi come metodo dell’esfoliazione organica perché sfrutta un procedimento ibrido che combina processi chimici ed agenti biologici e che risponde a tutte le problematiche legate alla produzione di fogli di alta qualità, a basso costo, e nel completo rispetto dell’ambiente.

LE FUTURE APPLICAZIONI: DAI CIRCUITI ELETTRICI AI PANNELLI FOTOVOLTAICI

Il basso costo della grafite, materiale povero ma abbondantissimo in natura e prodotto di scarto di molti processi chimici come le marmitte catalitiche, unitamente alle virtù del grafene, rendono possibile immaginare le innumerevoli applicazioni proposte dagli studi effettuati fino ad oggi. L’elevatissima conduttività dei fogli di grafene permetto loro di immagazzinare grandi quantità di energia, rendendolo un supercapacitore. Questa proprietà insieme alla resistenza e alla stabilità termica, rendono il grafene il candidato ideale per le nuove sperimentazioni nel campo dell’elettronica, nella produzione di circuiti elettrici e computer super veloci, e ancora telefoni con batterie più resistenti ed automobili elettriche. La sua flessibilità inoltre fa immaginare che ben presto touchscreen e palmari potranno essere facilmente arrotolati o piegati. Inoltre, non essendo un metallo pesante, la grafite non è tossica.

È però un altro l’uso più sorprendente di questi fogli: la trasparenza del grafene consente alla luce incidente di attraversarlae rimanere inalterata, aprendo la strada all’impiego di dispositivi Schottky in ambito fotovoltaico, sostituendo il silicio anche nelle celle fotovoltaiche.

Insomma, il futuro del fotovoltaico non è ancora stato scritto ma di sicuro è in punta di matita.

Anellina Chirico

Anellina Chirico Architetto

Cilentana, si avvicina al mondo delle costruzioni per gioco grazie ad un regalo della Befana. Quella casa in legno da montare diventa una passione e decide di farne il suo mestiere. Quando ripone matite e computer, guarda fuori dalla finestra, parla tanto e lavora a maglia.

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