The wonder material: il grafene (prima parte)

È una stella in rapida ascesa nell’orizzonte della scienza dei materiali. Scoperto nel 2004 dai premi Nobel per la Fisica (2010) Geim e Novoselov, il grafene è noto per essere il materiale delle meraviglie. Ma perché? Che cosa ha realmente di speciale?

Caratteristiche del grafene

A livello concettuale rappresenta una nuova classe di materiali. È il materiale più sottile al mondo, composto unicamente di atomi di carbonio che formando tra loro legami covalenti con angolo di 120 gradi disegnano un reticolo a matrice esagonale. Data la sua estrema sottigliezza, la comunità scientifica equipara il grafene a un materiale “bidimensionale”, in cui esistono solo due dimensioni del piano, mentre la terza vale zero.

Tale materiale è una delle infinite pagine che compongono la grafite, uno dei più comuni allotropi del carbonio, di cui è costituita anche la mina di una matita. Mina che si compone di ben 3 milioni di strati di grafene impilati uno sopra l’altro. Esiste da sempre, eppure, è stato scoperto solo nel 2004.

La grafite è, infatti, il materiale dal quale Andrj Gejm e Konstantin Novosëlov ottennero il primo foglio di grafene mai studiato in laboratorio, che è valso loro, tra l’altro il conferimento del premio Nobel nel 2010. Il procedimento che seguirono si basò su un semplice “attaccare e staccare” scotch su una lastra di grafite, e trasferire il tutto su un secondo pezzo di silicio.

Al termine dell’esperimento, partiti con l’intento di voler paragonare strati sottili di grafite con nanotubi di carbonio, scoprirono un vero e proprio tesoro. Il grafene è, infatti, noto ai più come “il materiale delle meraviglie” proprio per le sue innumerevoli proprietà. Proprietà strettamente legate alla dimensione bidimensionale in cui gli elettroni sono costretti a muoversi.

Definizione IUPAC del grafene: 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. 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 è “il materiale dei superlativi”. È il più forte (in termini di durezza) conosciuto, la sua resistenza meccanica è superiore a quella dell’acciaio, niente è ai suoi livelli. Eppure, è flessibile, leggero (1 grammo è sufficiente per rivestire una superficie pari 2630 mq, tre grammi sarebbero sufficiente per ricoprire un campo da calcio). È il miglior conduttore di calore e di elettricità esistente al mondo.

È il materiale più sottile che sia mai stato scoperto ed è praticamente trasparente, poiché assorbe solo il 2% dello spettro della luce visibile. A livello meccanico, sopporta un carico di rottura fino a 130 gigapascal, il suo modulo di elasticità è di circa un terapascal, e può essere stirato fino al 20% della sua lunghezza.

Molti vedono il grafene come il materiale del futuro, in particolar modo nel settore dell’elettronica. Nel 2010 un team della IBM creò transistor al grafene capaci di operare frequenze a 100 GHz. L’unico problema riscontrato è stato però la perdita di corrente, che ha impedito il montaggio di più transistor su un solo circuito. Difficoltà che è comunque venuta meno, grazie allo sfruttamento della terza dimensione del grafene, che ha perciò permesso la realizzazione di transistor di nuova generazione e lo sfruttamento delle proprietà quantistiche del grafene stesso.

Il grafene, diviene così, un materiale interessante per lo sviluppo di futuri computer quantistici e per dispositivi per la spintronica.

Un nuovo modo di vivere il quotidiano

Importante questione è quella dei metodi di produzione del grafene. Al momento sono due le tecniche più frequentemente adottate: l’esfoliazione meccanica e l’esfoliazione in fase liquida.

La prima consiste nell’applicazione di una forza sulla superficie cristallina della grafite, al fine di staccare e dispiegare gli strati, ricavandone il grafene.
La seconda segue un procedimento radicalmente diverso, che sfrutta le forze di pressione all’interno di un liquido. Il costo del metodo dell’esfoliazione ad esempio è stato stimato in circa 100 milioni di euro al cmq.

Per completezza espositiva è bene menzionare l’esistenza di altri metodi di produzione, meno utilizzati, quali l’ossidoriduzione della grafite, la crescita epitassiale su carburo di silicio, la pirolisi dell’etossido di sodio, la crescita epitassiale su substrati metallici e la crescita da fusione di carbonio-metallo.

Il programma di Directa Plus

A livello industriale il grafene è comunemente usato in forma di polvere. Miscelandolo in soluzioni liquide è, infatti, possibile realizzare inchiostri dall’alto livello qualitativo. Ad esempio, quello prodotto da Directa Plus, azienda che non rinuncia alla ricerca per lo sviluppo di nuovi prodotti a base grafene, realizzando scambi di know-how all’interno di joint-lab e stringendo accordi come quello con l’Istituto italiano tecnologico di Genova.

Ciò ha permesso a Directa Plus la realizzazione di un portafoglio IP contenente 27 brevetti concessi e altri 20 in attesa di approvazione, validi in tutte le giurisdizioni globali. Si tratta di una vera e propria decisione strategica, finalizzata alla realizzazione di uno standard dominante in tutti i mercati, da quello americano a quello cinese. Primo fra questi, è stato il rilascio del brevetto italiano per il processo di rimozione degli idrocarburi dall’acqua sfruttando Grafysorber®, che ha garantito alla società l’aggiudicazione di un contratto di fornitura e assistenza per il trattamento e il recupero del petrolio greggio nel continente europeo.

Interchimica poi, in partnership con Directa Plus, ha messo a punto il Gipave, un composto a base di grafene che se miscelato insieme a materiali tradizionali, renderebbe l’asfalto più resistente, aumentando la durata nel tempo della pavimentazione stradale.

Directa Plus ha inoltre continuato il proprio lavoro fino a raggiungere un’importante quota di mercato dei ready to use. Importante partnership è quella stretta con il produttore bergamasco di gomme per biciclette Vittoria. L’aggiunta di grafene ha, infatti, permesso una notevole riduzione della resistenza al rotolamento, rendendo lo pneumatico più leggero e resistente alle forature.

Inoltre, l’aggiunta di G+ (Graphene+, un procedimento finalizzato alla realizzazione di nanomateriali) alla matrice di fibra di carbonio del cerchio ha permesso la riduzione di temperatura dovute alla frenatura, migliorando al contempo la rigidità laterale e diminuendo il peso del 15 %.

Altra importante partnership è stata con la Colmar, per la realizzazione di capi invernali sportivi che diffondessero in maniera omogenea il calore su tutto il corpo.

Tra le ultime notizie di DirectaPlus vi è la decisione strategica di siglare un accordo esclusivo con Loro Piana, per la commercializzazione di tessuti e capi arricchiti dalla tecnologia G+ dell’azienda. Con una durata iniziale di tre anni, il contratto firmato è stimato avere un valore minimo di € 800.000.
Mentre con Alfredo Grassi S.p.A. si prospetta l’ampliamento di una collaborazione esistente nello sviluppo di indumenti da lavoro potenziati con grafene, per espandersi nel mercato dell’abbigliamento militare in Italia, in parte dell’Europa e del Nord Africa.

Altri esempi di applicazione

Sensazionale è stata l’introduzione di PureGraph10 all’interno di stivali di sicurezza. Il prototipo è stato prodotto da Steel Blue nello stabilimento di Malaga WA. La Momodesign e l’Istituto Italiano Tecnologico hanno invece prodotto Graphite Helmet, un casco più resistente e sicuro, grazie l’aggiunta di grafene secondo il procedimento “graphene shelter”.
Il grafene, infatti, grazie alle sue proprietà fisiche, ha conferito al casco migliori performance meccaniche, strutturali e termiche, permettendo inoltre una migliore distribuzione della forza di urto. Il casco è entrato in commercio nel 2017 con un’edizione limitata di 3.000 pezzi, e un prezzo pari a 245 euro.

Altro importante esempio di applicazione industriale del grafene è l’imballaggio intelligente di sicurezza “Siren Technology”, che utilizza l’inchiostro a base di grafene di Vorbeck Materials. Mentre la Powerbooster di Shangai sta sviluppando un touch-panel flessibile a base di grafene per dispositivi mobili.

Dai rivestimenti antistatici e anticorrosivi ai compositi ultraresistenti e ultraleggeri, il grafene può non solo migliorare le prestazioni dei materiali attuali, ma anche consentire nuovi campi di applicazione. Nell’ambito di tali applicazioni è perciò definibile come tecnologia abilitante (enabling technology).

Sono, infatti, numerosi i prodotti che si basano sul grafene, quale la nota racchetta di Djokovic, che appartiene alla serie YouTek Graphene Speed, pubblicizzata e prodotta da HEAD nel 2013.
Le racchette in questione contengono grafene, che le rende più leggere e resistenti. Il “wonder material” permette una miglior distribuzione del peso, creando una racchetta più potente, caratterizzata una manovrabilità inimitabile poiché ridistribuisce la massa del telaio nelle aree più strategiche della racchetta. Data la composizione chimica, i costi non sono accessibili a tutti: si aggirano, infatti, intorno ai 170$.

Sempre la HEAD ha lanciato una linea di sci per donna chiamata Joy. Le doti di leggerezza e resistenza sono da attribuire alla presenza di grafene, il quale ha tuttavia causato l’aumento del 20% dei costi rispetto ad uno sci tradizionale.

Un esempio di Open Innovation: dal laboratorio al mercato globale

Date le sue proprietà uniche, come abbiamo osservato, il grafene riesce ad adattarsi a innumerevoli applicazioni. A questo riguardo, non si può non prendere in considerazione l’investimento di notevoli capitali nei laboratori di tutto il mondo.

Un importante esempio è la realizzazione di modulatori ottici a base di grafene, normalmente impiegati nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, come quelli realizzati all’ Università di Berkeley nel 2011.

Sempre in America, presso la Texas State University, la Professoressa Maggie Chen ha invece intrapreso lo studio di circuiti elettronici durevoli e flessibili per la realizzazione di nuove antenne per i programmi di viaggio spaziale della NASA. Idealmente, le antenne stampate in 3D da Chen userebbero il grafene, che donerebbe loro un volume e peso ridotti rispetto alle comuni antenne in argento, tuttora in uso. Sempre idealmente, l’obiettivo che ci si prefigge è quello di poterle arrotolare e lanciare nello spazio, permettendo così una comunicazione migliorata con le stazioni terrestri.

Graphene Flagship

In Europa, la scoperta del grafene ha richiamato l’attenzione non soltanto della comunità scientifica, ma anche di investitori pubblici e privati. Nel 2013, infatti, la Commissione Europea lancia Graphene Flagship, un investimento da un miliardo di euro, finalizzato alla realizzazione di un programma di ricerca decennale sulle applicazioni industriali e commerciali del grafene, con l’ambizione di coprire l’intera catena del valore, partendo dalla produzione dei materiali e arrivando all’integrazione a livello di sistema produttivo.

Il programma rappresenta una nuova forma di ricerca congiunta e coordinata su una scala senza precedenti, costituendo la più grande iniziativa di ricerca mai realizzata in Europa. La commissione è convinta del fatto che il coordinamento degli sforzi di ricercatori accademici e industriali produrrà una significativa crescita economica, e farà nascere nuove posizioni lavorative, dischiudendo opportunità sinora inesplorate.

Il programma vanta attualmente 145 partner tra realtà industriali e accademiche, tra i quali si citano:

• BeDimensional, spin-off del Graphene Flagship, membro dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). Si è dedicata allo sviluppo di prodotti innovativi a base di grafene e altri cristalli bidimensionali. Grazie ad un know-how unico frutto di competenze distintive nella produzione di cristalli bidimensionali su scala industriale, riesce a produrre oggetti caratterizzati da elevati standard di qualità, a costi competitivi.
• Leonardo, che sta sperimentando il grafene nell’ambito dei sistemi avionici e spaziali per la realizzazione di schermi tattili e flessibili. Mentre nel campo delle aerostrutture, il grafene è utilizzato nello studio dei sistemi antighiaccio per ali dei velivoli e per il rinforzo delle strutture aeronatuche all’urto.
  Secondo il CTO della LoB (Line of Business) Spazio, il grafene è un ottimo esempio di open innovation in cui, grazie ad una rete di collaborazioni e accordi è possibile accedere ai laboratori più avanzati e accelerare il percorso conoscitivo. Sempre nell’ambito della Flagship, Leonardo sta sviluppando “loop heat pipe”: lo sviluppo di un sistema di raffreddamento per satelliti.

Nell’ambito del Mobile World Congress del 2018 a Barcellona, il grafene è stato protagonista. Presso il Graphene Pavilion sono stati presentati i prototipi flessibili di una nuova generazione di tecnologie a base di grafene, frutto del progetto europeo bandiera Fet-Flagship Graphene.

Nel cuore dell’esposizione sono stati presentati circa 25 prototipi e prodotti per l’innovazione, dall’Internet of Things alla comunicazione e alla salute. L’area espositiva è stata suddivisa in: Data Communications, Sensor and IoT, Wearables and Health, Energy.

Tra i prototipi si ritiene meritevole di particolare menzione il “supercondensatore flessibile”, una batteria caratterizzata da elevatissima efficienza, nata dalle ricerche dei Graphene Labs dell’IIT. La sua capacità di accumulo è paragonabile a quella delle batterie agli ioni di litio. Fornisce una tensione di 2.7 V e intensità di corrente di centinaia di mA, con una vita utile oltre 10 mila cicli e peso inferiore a 50 mg per cmq. Al contempo è in grado di resistere a temperature che vanno da -25 a 70 gradi.

La sua struttura permetterebbe inoltre di collegare il dispositivo a fonti di energia rinnovabili. Il prototipo è prodotto grazie alla sovrapposizione di strati flessibili, quali due fogli di grafite, due membrane porose a base di grafene e una membrana polimerica bagnata da un elettrolita. Inoltre, il rivestimento impermeabile permetterebbe al dispositivo di essere facilmente indossabile e lavabile.

Presentati dall’Istituto Italiano di Tecnologia troviamo anche gli elettrodi biocompatibili della mano robotica protesica, nata dalla ricerca congiunta con INAIL, una cella solare a base di materiali bidimensionali, in grado di generare 8 Watt, la prima scarpa grafene e una membrana riscaldante.

[FINE PRIMA PARTE]

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