Se non hai mai sentito parlare di GRAFENE, tieniti pronto, perché stai per conoscere uno dei materiali più rivoluzionari della nostra epoca. In questo articolo andremo ad approfondire insieme che cos’è il grafene, le sue molteplici applicazioni e il motivo per cui è ritenuto il materiale del futuro.

Partiamo!

CHE COS’È IL GRAFENE ?

Il grafene è la risposta alla domanda che si erano posti molti scienziati e studiosi: può esistere un materiale bidimensionale?

BIDIMENSINALITÀ

Abituati al nostro mondo a 3 dimensioni è difficile poter immaginare un materiale che ne abbia solo due, cioè che si sviluppi unicamente in lunghezza e larghezza. È un concetto simile a quello di PIANO della geometria euclidea, ovvero una superficie infinita senza profondità.

Fino al 2004, anno della scoperta del grafene, si pensava che fosse impossibile trovare in natura un materiale bidimensionale. Per i fisici russi  Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell’Università di Manchester la scoperta è valsa il premio nobel per la fisica nel 2010.

IL GRAFENE IN POCHE PAROLE

La definizione più semplice che si può dare a questo materiale, è che è un singolo strato di grafite.

Questo è uno strato monoatomico (spessore di un atomo) di atomi di carbonio legati tra loro a geometria esagonale.

Il grafene è la base che costituisce la mina di una matita e per riuscire ad ottenere una mina da 1 mm di grafite servono 3 milioni di strati di grafene impilati uno sopra l’altro.

grafene che cos

GRAFENE FAI DA TE

I due fisici sono riusciti a scoprire questo materiale tramite un procedimento molto banale quanto geniale.

L’esperimento che è valso il premio nobel ai due scienziati lo puoi replicare comodamente da casa riuscendo ad ottenere del grafene fai da te. Ti basterà avere a porta di mano una matita e dello scotch.

Alla base dell’esperimento vi è la necessità di riuscire a rompere la grafite in maniera controllata, non in tutte le direzioni come quando temperi una matita, ma tramite una frattura parallela alla superficie. In sostanza bisogna sottoporre la grafite ad un processo di esfoliazione, dove un singolo strato viene staccato dagli altri.

L’esperimento dei due fisici consisteva nel far aderire della polvere di grafite a dello scotch per poi successivamente iniziare ad attaccare e staccare in modo da riuscire nel processo di esfoliazione. Continuarono in questo processo fino a quando non riuscirono ad isolare un singolo strato di grafene, per poi osservarlo al microscopio e determinarne le caratteristiche.

Erano davanti ad una rivoluzione tecnologica sensazionale.

grafene che cos

Andrej Gejm, uno dei suoi scopritori, alla domanda circa le funzionalità del grafene:

Non lo so. È come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo  fa e chiedergli cosa ci si può fare. Un po’ di tutto, penso“.

GRAFENE: IL MATERIALE DELLE MERAVIGLIE

La scoperta di questo nuovo materiale, ha portato con sé fin da subito molto hype nel modo scientifico. Il grafene oltre ad essere il primo materiale bidimensionale scoperto, è un materiale che presenta delle caratteristiche sorprendenti, tanto da essere definito da molti il materiale delle meraviglie.

GRAPHENE FLAGSHIP

Le potenzialità di uso per questo materiale sono davvero infinite, tanto da valere una iniziativa di ricerca europea da da 1 miliardo di euro.

Nel 2013 nasce GRAPHENE FLAGSHIP, un progetto di ricerca dell’Unione europea che comprende 150 gruppi di ricerca in 23 paesi, con lo scopo di conoscere a 360° il materiale delle meraviglie. Stiamo parlando della più grande iniziativa di ricerca mai realizzata in Europa.

Graphene Flagship ha il compito di riunire ricercatori accademici e industriali per portare il grafene dal regno dei laboratori accademici nella società europea nell’arco di 10 anni (2023), generando così crescita economica, nuovi posti di lavoro e nuove opportunità.

CARATTERISTICHE DEL GRAFENE

Fino ad ora abbiamo elogiato il grafene in tutti i modi, senza però andare a vedere quali siano le caratteristiche che rendono il materiale piatto il futuro dei materiali.

Rimediamo subito parlando delle proprietà più rilevanti in ambito tecnico industriale.

All’interno del grafene le particelle di carica si muovono a velocità relativistiche, quasi arrivando alla velocità della luce. Le cariche elettriche che si muovono al suo interno non subiscono resistenza, risultando un conduttore migliore del rame.

Ha una grandissima resistenza meccanica, che lo rende il più forte materiale di sempre, 100 volte più dell’acciaio. Non è un materiale rigido, ma al contrario è molto flessibile ed elastico, può essere stirato fino al 20% della sua lunghezza.

Il grafene è più resistente del diamante e flessibile come la plastica. Hanno calcolato che un singolo strato dalla grandezza di 1 m2  può sorreggere un peso di 4 kg ed è incredibile se si pensa che stiamo parlando di uno strato spesso un atomo.

Ma non finisce qui!

In oltre, il grafene è il miglior conduttore termico noto, superiore anche al diamante, già citato in precedenza. È un materiale leggerissimo, con un rapporto tra superficie e peso molto elevato, 3g di grafene sono sufficienti per ricoprire un campo da calcio.

Potrei continuare ancora citando altre mille proprietà, ma anche solo queste che ho menzionato bastano per constatare che il grafene è un materiale molto interessante e con un forte potenziale ancora da sprigionare.

APPLICAZIONI DEL GRAFENE

Grazie alle molteplici caratteristiche descritte in precedenza, si è arrivati alla conclusione che con il grafene si può fare davvero di tutto.

Molti fantasticano ed ipotizzano smartphone spessi come un foglio e ultra flessibili. La verità è che ancora non siamo in grado di soddisfare le nostre idee fantascientifiche, ma la produzione di componenti elettronici che sfruttano al meglio le caratteristiche del grafene è possibile.

Un esempio è la batteria al litio-grafene della Real Graphene, azienda statunitense che sviluppa batterie. La loro batteria per smartphone è in grado di caricarsi in 20 minuti e con una durata di circa 1500 cicli, contro i 300/500 di ricarica di una batteria normale. La creazione di super batterie andrebbe anche a favorire il mercato delle auto elettriche, riuscendo ad aumentarne la capacità di autonomia.

Un altro uso molto interessante è stato fatto con una vernice al grafene in rivestimento a dei pannelli fotovoltaici, in modo da massimizzare l’energia prodotta.

fotovoltaico-grafene

È stato pensato inoltre l’utilizzo di grafene nei materiali per la costruzione di veicoli in modo da renderli più leggeri e resistenti, diminuendone il costo e consumo.

L’inquinamento atmosferico è una bella seccatura, sarebbe fantastico riuscire a creare un cemento intelligente capace di ridurre le sostanze inquinanti. Il team di ricercatori di Graphene Flagship, coordinati dall’italiana Italcementi, ha sviluppato una nuova composizione di grafene-biossido di titanio con proprietà di fotodegradazione molto più potenti di quelle del solo biossido di titanio. L’intento è appunto quello di ottenere un composto in grado di essere utilizzato per edifici e strade, in grado di ridurre l’inquinamento atmosferico.

Concludo menzionando quella che a mio parere potrebbe essere la rivoluzione più grande scaturita dal grafene. Potremmo essere in grado di risolvere il problema di milioni di persone che non hanno accesso a fonti di acqua pulita. È stato creato un filtro in grado di bloccare il 97% di cloruro di sodio (NaCl) presente nella comune acqua marina, sfruttando la capacita di ridimensionare dei “fori” del grafene.

Attualmente sono pochi gli oggetti ad uso comune che incorporano il grafene. Un esempio sono le racchette al grafene, il casco della momodesign FGTR GRAPHENE 1.0 e qualche altro oggetto che puoi cercare online.

CONCLUSIONI

Il grafene non è ancora sdoganato tra i beni di consumo, questo è dovuto anche alla capacità di riproduzione del materiale in scala industriale. Ovviamente non è possibile una produzione basata sulla tecnica di esfoliazione, che risulterebbe lunga e poco produttiva. Nel tempo si sono fatti dei passi in avanti, ad esempio tramite la produzione di grafene tramite processi chimici.

Una volta superato completamente questo ostacolo, non ci sarà nulla che potrà bloccare la diffusione del grafene. Abbiamo visto infatti come questo possa essere utilizzato in varie forme e legato ad altri materiali vada a migliorane le caratteristiche.

Il grafene però è stato solo il pioniere per quanto riguarda i materiali bidimensionali. Dopo di lui sono stati scoperti molti altri materiali a due dimensioni con altrettante caratteristiche interessanti.

Personalmente vedo un grande utilizzo di questi materiali per il futuro e potrebbe essere incentivato anche in vista dell’Internet delle cose, dove sempre più oggetti avranno incorporati componenti elettronici.

Se non sai di cosa si tratti ti consiglio di leggere il nostro articolo sul 5g dove spieghiamo l’avvenire dell’Internet delle cose > 5G, che cos’è e come funziona.