Grafene: produzione, applicazioni e prezzo di un nuovo materiale

La produzione del grafene le applicazioni del materiale e prezzo.

Grafene: la produzione, le applicazioni e il prezzo di un nuovo materiale tecnologico, il più sottile al mondo, in grado di influire positivamente su diversi settori. Il grafene è considerato il “materiale delle meraviglie” capace di migliorare l’impatto delle tecnologie nella nostra vita quotidiana, così come nella scienza e nella robotica.

In copertina: Una molecola di grafene; copyright Cultur-e.

Cos'è il grafene

Il grafene è stato isolato e studiato nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov, premi Nobel per la Fisica nel 2010 grazie a questa molecola. Il grafene si ottiene trattando la grafite (un minerale associato al carbonio) con una soluzione di acido solforico e nitrico. È costituito da un sottilissimo strato di atomi di carbonio, aggregati in una struttura a nido d’ape, in uno spessore addirittura più sottile e più leggero della carta.

Il grafene è dotato di un’ottima versatilità, resistenza al calore e capacità di condurre elettricità, caratteristiche che lo rendono per gli studiosi l’erede del silicio e della plastica. Inoltre il grafene è trasparente, impermeabile, resistente alla temperatura e alle variazioni del pH, 200 volte più resistente dell'acciaio e permetterà la creazione di prodotti a lunga durata.

Trattandosi di un materiale costituito da uno strato monoatomico (quindi spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri), sul grafene convergono gli orizzonti delle prossime nanotecnologie. In occasione del Mobile World Congress del 2018 a Barcellona, questo materiale tecnologico ha avuto un proprio padiglione in cui sono stati presentati 25 diversi prototipi di dispositivi elettronici realizzati e implementati con l’uso del grafene, come smartphone, dispositivi wearable (indossabili) e per lo smart living. I vantaggi dell’applicazione del grafene nei dispositivi della vita quotidiana sono numerosi. Per esempio, una batteria al grafene permette di utilizzare il proprio smartphone per giorni, pur completando la carica in pochi minuti, se non secondi.

Prezzi grafene

Il crescente interesse sul grafene attualmente ne fa un materiale pregiato e di difficile reperimento, che arriva a costare fino a 60 volte più degli attuali materiali equivalenti, ma certamente più impattanti. Tuttavia gli investimenti e le numerose ricerche su una sua produzione sostenibile economicamente, aprono nuovi scenari per prezzi più accessibili. Va inoltre considerata la sostenibilità nel lungo termine, che consente di abbattere il dispendio eccessivo di risorse, scegliendo invece tecnologie e dispositivi realizzati in grafene. 

Produzione grafene

I due principali modi di produrre il grafene sono l’esfoliazione meccanica e l’esfoliazione in fase liquida.  Eseguendo l’esfoliazione meccanica si applica una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata che è in grado di staccare e dispiegare gli strati cristallini della struttura fino a ricavare lo strato necessario. L’esfoliazione in fase liquida sfrutta le forze di pressione all’interno di un liquido. Attualmente questo sembra essere il metodo maggiormente utilizzato, sebbene sia da migliorare.

Tra gli altri metodi di produzione, meno utilizzati, ci sono anche: ossidoriduzione della grafite, crescita epitassiale su carburo di silicio, crescita epitassiale su substrati metallici, crescita da fusione di carbonio-metallo, pirolisi dell’etossido di sodio, da nanotubi di carbonio, riduzione del diossido di carbonio.

Applicazioni grafene

Si stima entro il 2020 un mercato mondiale del grafene che varrà 675 milioni di dollari, con ambiti di applicazione tra i più disparati, dall’elettronica, all’energia, alla medicina, all’aeronautica.

caprion: Grafico dell'andamento mondiale della produzione di grafene.

L’interesse per le nuove possibilità offerte dal grafene ha mosso riflessioni anche sul piano strategico ed economico. Nel 2013 la Commissione europea ha lanciato Graphene Flagship, uno dei più grandi programmi di ricerca in Europa, con l’obiettivo di applicare il grafene nel giro di 10 anni nella vita quotidiana. Gli effetti benefici si avrebbero tanto sulla sostenibilità ambientale del materiale, quanto sulla creazione di nuove tecnologie, imprese e posti di lavoro. Il programma coinvolge 150 partner tra realtà industriali ed accademiche, per un valore di oltre un miliardo di euro.

Tra le realtà chiamate a collaborare, l’italiana Leonardo, specializzata in sistemi avionici e spaziali. Marco Molina, CTO della LoB Spazio presso la Divisione Sistemi Avionici e Spaziali di Leonardo, commenta l’interesse dell’azienda: «La ricerca sul grafene in Leonardo – dice Marco Molina – è un esempio concreto di “open innovation” in cui, grazie ad una rete di collaborazioni e accordi, possiamo avere accesso ai laboratori più avanzati d’Italia e di Europa e in questo modo alle scoperte più innovative. Grazie alla stretta sinergia tra i nostri colleghi tecnici, ingegneri, chimici e fisici che collaborano direttamente con i laboratori in cui avviene la sintesi chimica del grafene (in Italia, per esempio il CNR e l’Istituto Italiano di Tecnologia) mettiamo a punto i prototipi con cui dimostrare il vantaggio di usare il grafene.»

Tra i progetti di Leonardo rientra Graphene Flagship programma di ricerca finanziato dalla Commissione europea. Partecipando a questo progetto, nel 2017 il team di Leonardo ha testato il comportamento del grafene in microgravità insieme al CNR, l’Universitè Libre de Bruxelles e il Graphene Center dell’Università di Cambridge. L'innovativo materiale è oggetto di studio per volare nello spazio come componente di un sistema di raffreddamento per satelliti chiamato "loop heat pipe". Il grafene dunque si appresta a diventare protagonista della futura esplorazione spaziale.

 Rappresentazione dei nano tubi in carbonio. Rappresentazione dei nano tubi in carbonio.

L’applicazione del grafene in ambito scientifico, consente anche di intervenire sulla multifunzionalità dei sistemi, in termini sia diagnostici che preventivi. Marco Molina, infatti, spiega che «un circuito elettronico può essere stampato con inchiostro al grafene su una struttura rigida o anche flessibile, addirittura un foglio di carta o un tessuto, che così diventerebbero da un lato un sensore e dall’altro uno schermo tattile che visualizza l’immagine riconosciuta dal sensore. Anche le strutture aerospaziali possono diventare intelligenti, capaci di conoscere la propria temperatura e lo stato di sollecitazione meccanica e addirittura di usura, con un chiaro vantaggio competitivo nella manutenzione preventiva. »

Nella robotica il grafene può essere utilizzato per realizzare gambe e braccia artificiali molto più resistenti. Realizzando sensori nervosi artificiali basati su strati di grafene nella parte amputata degli arti, fa sì che una persona possa percepire e rispondere alle contrazioni e ad altri movimenti dei muscoli.

La sua struttura del grafene è tutt’ora oggetto di ricerche. In particolare, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (Mit) e dell'Università britannica di Oxford, hanno catalogato in uno studio pubblicato sulla rivista Nature Materials, le imperfezioni osservate nel singolo strato di atomi di carbonio. Si tratta di piccoli “buchi”, le cui varianti di forma suggeriscono i molteplici comportamenti del grafene. Si prefigurano, quindi, scenari interessanti sia in ambito scientifico che in ambito applicativo. La storia del grafene è ancora tutta da scrivere.

Stela Karabina

Stela Karabina Architetto

Laureata in Architettura e appassionata di Arti Applicate in genere, di Tessitura in particolare fin da piccola. Albanese cresciuta in Puglia, si divide con orgoglio tra le due culture. Su ArchitetturaEcosostenibile ha trovato il crocevia ideale tra le sue curiosità e l’amore per la scrittura.

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