Grafene, il “materiale del futuro”: ecco perché ne parlano tutti

 

Ci ha aperto lo sguardo su un mondo di materiali nuovi, a due dimensioni, capaci di integrare caratteristiche sorprendenti su oggetti che già conosciamo. Una rivoluzione paragonata da alcuni ad una nuova età del bronzo. Il grafene: mito e realtà del “materiale del futuro”.

Come il grafene cambierà la tecnologia

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio uniti in strutture esagonali a formare un reticolo dalle caratteristiche sorprendenti.
Appena nato, ha già una sfilza di record alle sue spalle:

• è il materiale più sottile mai creato dall’uomo (un milione di volte più sottile di un capello umano);
• il più resistente (200 volte più duro dell’acciaio);
• il più leggero e flessibile (1 m² pesa 0,7 mg);
• è il miglior conduttore di calore conosciuto;
• è talmente sottile (lo ricordiamo, è un foglio di atomi) da assorbire soltanto il 2% della luce che lo colpisce, il che lo rende quasi completamente invisibile ad occhio nudo;
• è impermeabile alle molecole più piccole (perfino a quelle di elio), ed è relativamente economico da produrre.Tutto questo in un unico materiale. È la peculiarità del grafene, quella di essere multifunzionale: ai materiali in cui viene integrato può infatti conferire più caratteristiche utili, come durezza, conducibilità, flessibilità.

Mister G batte tutti

Il grafene batte il diamante, perché ha una durezza maggiore (e, a differenza del diamante, è super-flessibile). Batte l’argento, perché non ha eguali come conduttore di calore, e batte il rame come conduttore elettrico. La sua capacità di garantire resistenza al calore, elasticità e robustezza lo rende il candidato ideale per la realizzazione di nuovi materiali resistenti e leggerissimi.

Non per nulla i suoi inventori, Kostya Novoselov e Andre Geim, hanno vinto il premio Nobel nel 2010. I due scienziati, usando un comune rotolo di scotch e un frammento di grafite (quella delle matite, per intenderci), hanno isolato un foglio di grafene dello spessore di un atomo di carbonio – così sottile che si può in effetti considerare un materiale bidimensionale.

 

Nella grafite, gli atomi di carbonio sono disposti in strati uno sopra l’altro; rimuovendo strato dopo strato si arriva a una pellicola dello spessore di un atomo – ed è proprio quest’ordine di grandezza infinitesimale a conferire al grafene le sue eccezionali proprietà.

Il grafene fa miracoli?

Forse sì – perché un’altra delle caratteristiche uniche del grafene è la sua malleabilità, la sua capacità di integrarsi con altri materiali, dotandoli di nuove possibilità. Super-materiali creati su misura: una rivoluzione paragonabile ad una nuova età del bronzo.

È bene non dimenticare, tuttavia, che quanto state per leggere è “oltre gli orizzonti attuali”, per citare Andre Geim (uno degli scopritori del grafene).
Molto realisticamente lo scienziato prende le distanze dai facili entusiasmi dei media: “Ogni due settimane c’è qualche grossa storia sui possibili utilizzi del grafene”, ma sono solo promesse da titolo in prima pagina, che non è facile trasferire all’interno di prodotti commerciali.

 

Fatta questa dovuta precisazione, il grafene è e rimane un materiale straordinario, che è destinato a cambiare molte cose; ma cosa ci promette il grafene nel futuro più o meno prossimo?

 

Elettronica

Sicuramente una nuova elettronica, super-sottile, super-efficiente.
Un recente brevetto dell’IIT rende possibile la stampa di circuiti elettronici su materiali flessibili di natura plastica, mentre sono anni che l’Università della Georgiasta lavorando alla realizzazione di antenne wireless ricoperte di grafene in grado di trasmettere 1 terabyte di dati al secondo.
Con l’avvento del grafene nell’elettronica potrebbe chiudersi l’era del silicio, considerando non solo la sua superiore conducibilità elettrica, ma anche la sua estrema conducibilità termica:  meno dispersione di energia sotto forma di calore significa maggiore eco-compatibilità dei dispositivi dal punto di vista energetico. Non c’è da stupirsi, quindi, che i giganti della tecnologia, tra cui Intel, abbiano da subito guardato con attenzione a questo materiale che potrebbe cambiare il mondo – pur rimanendo realistici sui tempi necessari perché ciò avvenga.

 

Batterie

Applicato al mondo delle batterie, il grafene può risolvere l’annoso problema dello stoccaggio di energia – una delle molte applicazioni del grafene studiate da Be-Dimensional, startup targata IIT specializzata nell’integrazione dei materiali bidimensionali nei processi industriali tradizionali. I ricercatori all’Università della California ci hanno incantato qualche anno fa con la concreta promessa di condensatori leggeri, sottili come post-it, compostabili (perché a base di carbonio), capaci di ricaricare un iphone in 30 secondi o una macchina elettrica in pochi minuti.

 

Edilizia

In campo edilizio ci aspettiamo materiali super-sottili e tuttavia in grado di condurre l’energia elettrica, come pannelli solari sotto forma di vernici. Per quanto riguarda l’ambiente è stato dimostrato che, in uno scenario del tipo post-Fukushima, il grafene sarebbe capace di ripulire l’acqua contaminata da rifiuti radioattivi con tempi che hanno dell’incredibile.
Medicina

La medicina è forse uno di quei settori dove le qualità del grafene stuzzicano maggiormente la fantasia, abilitando ad esempio la somministrazione mirata di componenti farmacologiche a livello cellulare (cosa che eviterebbe gli effetti collaterali di trattamenti come la chemioterapia), oppure la rigenerazione dei tessuti del corpo, o ancora la creazione di impianti bionici come le retine artificiali.

 

Trasporti e wearable

 

Le strutture di automobili e veicoli aerospaziali godrebbero della maggior leggerezza, flessibilità e durezza del grafene rispetto alla fibra di carbonio attualmente utilizzata.

 

Nel mondo delle videocomunicazioni, le possibili applicazioni del grafene spaziano da sistemi di navigazione satellitare integrati nel parabrezza dell’auto a schermi televisivi incorporati nelle finestre, fino agli iphone arrotolabili. I wearable attuali, nell’era dei materiali bidimensionali inaugurata dal grafene, diventeranno indossabili nel senso più stretto della parola, potendosi adattare perfettamente al nostro corpo.

 

Ancora 10 anni per vedere il grafene?

 

Il vero problema sembra essere la produzione del grafene a livello industriale – oggi si utilizza un processo di vaporizzazione e deposizione del cristallo su un supporto (come il silicio) dal quale viene poi “staccato” il foglio di grafene. Procedura che richiede una grossa quantità di energia ed un sistema industriale che ancora non c’è.

Dopotutto, è pur sempre una questione di costi di produzione e, come ricordava qualche anno fa il dott. Vijayaraghavan, “l’intera industria si basa sul silicio non perché non ci siano materiali migliori, ma perché funziona bene per il prezzo che sei disposto a pagare (…). Le aziende non lo abbandoneranno facilmente.”

 

Sappiamo che siete curiosi e che vi starete chiedendo se esiste già oggi un prodotto in grafene che sia possibile acquistare al supermercato, per vedere con i vostri occhi questo materiale straordinario. Purtroppo dovrete accontentarvi delle racchette da tennis (neanche a dirlo, sono eccezionali – garantisce il prof. Robert Youngdell’Università di Manchester).

 

È quanto abbiamo per il momento, è vero, e non è molto entusiasmante (fatta eccezione per i tennisti).

Ma siamo fiduciosi: l’UE ha recentemente finanziato con 1 miliardo di euro il progetto Graphene Flagship. L’iniziativa, che rappresenta una nuova forma di coordinamento della ricerca scientifica a livello europeo, si propone l’obiettivo di portare il grafene ad un reale utilizzo nella società entro 10 anni.

Possiamo scommettere che, per allora, avremo dimenticato le racchette da tennis.

 

di Enrico Billi