Il grafene ad oggi è il materiale più sottile al mondo: lo spessore ha la dimensione di un atomo! Ha molte proprietà: conduce l'elettricità, è flessibile ed è uno dei materiali più forti conosciuti sul pianeta. Negli ultimi anni la corsa di scienziati e ingegneri per sviluppare tecnologie a base di grafene nel settore energetico, aerospaziale, delle costruzioni e per dispositivi elettronici indossabili è stata notevole.
Abbiamo chiesto alla professoressa Cristiana Di Valentin, a capo del laboratorio NanoQlab di Bicocca, una panoramica sugli ultimi studi e le applicazioni industriali di questo importante materiale.
Professoressa, cos’è esattamente il grafene e quali sono le sue proprietà?
“Il grafene è un materiale bidimensionale, cioè si sviluppa tutto in un piano, formato da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una griglia esagonale. E’ in pratica un foglio sottilissimo estratto dalla grafite, il materiale delle mine delle matite. La grafite non è altro che la somma di moltissimi strati di grafene.
Il grafene ha numerose proprietà interessanti, tra cui alta conducibilità elettrica e termica, alta resistenza meccanica, elevata trasparenza alla luce (assorbe solo il 2%) e molte altre.
E’ stato scoperto nel 2004 da una coppia di ricercatori dell’Università di Manchester, Andre Geim e Kostya Novoselov a cui è valso il Nobel per la fisica nel 2010. Erano convinti di poterlo estrarre dalla grafite e paradossalmente ci sono riuscit attaccando e staccando due pezzi di banale nastro adesivo tra cui avevano posto un piccolo campione di grafite.
Da allora ha suscitato un elevato interesse, con ingenti investimenti UE nella ricerca sul materiale e sulle sue applicazioni industriali.”
In quali campi viene utilizzato?
“Esiste una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'elettronica, la produzione di materiali compositi, l’utilizzo in celle a combustibile, batterie e celle solari, la medicina, i sensori, tessuti intelligenti che gestiscono meglio il calore e che contrastano i batteri.”
Come viene prodotto?
“Il grafene può essere prodotto in diversi modi, tra cui la deposizione chimica dal vapore (CVD), la riduzione chimica del grafite, l'esfoliazione meccanica, l'esfoliazione chimica, e altri. La CVD è la più interessante in quanto permette di produrre campioni con ampia area superficiale e quindi più facilmente utilizzabili a livello industriale.”
Come si può usare il grafene per raggiungere uno sviluppo sostenibile?
“E’ un materiale estremamente versatile. Le sue proprietà elettriche unite alla buona conducibilità del materiale, fanno sì che le applicazioni più promettenti del grafene siano legate al mondo dell’elettronica e dell’energia. E’ la sostanza candidata numero uno per sostituire il silicio per quanto riguarda i materiali elettronici di nuova generazione.
Con il grafene e gli altri materiali bidimensionali è possibile infatti realizzare dei dispositivi impensabili fino a quale tempo fa, per esempio possono essere integrati con delle materie plastiche per realizzare dei compositi molto più resistenti o che siano in grado di condurre elettricità o calore.
Può sostituire il platino o l’argento nei pannelli solari e meglio integrare il silicio con le perovskiti. Pannelli solari innovativi potrebbero essere utilizzati per sostituire i vetri delle finestre, grazie alla trasparenza del grafene: in questo modo si produrrebbe energia pulita con un design di nuova generazione, molto d’impatto per le nuove architetture.”
Quali sono gli studi recenti su questo materiale?
“Il mio gruppo di ricerca è impegnato in un Progetto di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN) in collaborazione con il professor Luigi Sangaletti, della sede di Brescia dell'Università Cattolica del Sacro Cuore. Ci stiamo occupando della progettazione di sensori ultra-sensibili o nasi elettronici basati sul grafene per analizzare il respiro esalato di pazienti e diagnosticare la patologia respiratoria. Questa branca della biomedicina si chiama breathomics. Il grafene, nella forma di grafene ossido, è anche molto studiato nell’ambito della nanomedicina come vettore di farmaci alle cellule malate, in particolare per le patologie oncologiche.”
Può essere utilizzato per migliorare la sicurezza delle batterie?
“Certamente, può essere utilizzato come rivestimento o additivo per migliorare la sicurezza delle batterie al litio. Il grafene può migliorare la stabilità termica e meccanica della batteria, ridurre il rischio di cortocircuiti e aumentare la capacità di carica.
I vantaggi maggiori sono la durata della batteria, la sua maggiore autonomia, i tempi di ricarica inferiori e una minore infiammabilità.”
Quali sono le sfide nell’utilizzo del grafene e le implicazioni ambientali del suo utilizzo?
“Le principali sfide nell’utilizzo del grafene includono il costo elevato di produzione, la difficoltà di ottenere grandi quantità di grafene di alta qualità e la necessità di sviluppare nuove tecniche di fabbricazione e integrazione del grafene nei prodotti finali.
Tuttavia le tecniche stanno progressivamente migliorando, riducendo anche i costi e la complessità del processo. Attualmente lo si prepara anche in forma di inchiostro per l’utilizzo con le stampanti 3D.
Sebbene il grafene possa essere utilizzato per realizzare prodotti più efficienti e sostenibili, occorre prestare particolare attenzione al processo di produzione e al suo smaltimento. La tossicità del grafene è stata ormai discussa ampiamente nella letteratura scientifica ma gli studi sui suoi effetti sono ancora in corso.”
Quali sono le possibili applicazioni future del grafene?
“Le possibili applicazioni future del grafene includono l’elettronica flessibile, la produzione di dispositivi di stoccaggio dell’energia ad alta capacità, la produzione di materiali compositi leggeri e resistenti, la produzione di filtri d’acqua efficienti, l’abbigliamento per lo sport ed in generale tutti quei campi d’impiego dove siano necessarie leggerezza e resistenza:si pensi al settore aerospaziale dove, grazie alla sua elevata conducibilità elettrica, verrà impiegato non solo per creare dei sistemi antighiaccio integrati nelle ali, ma anche per produrre vernici che riducono l’impronta del radar.”
