Il grafene, uno dei nano-materiali più avanzati al mondo

Le proprietà fisiche del Grafene

Il grafene è un materiale rivoluzionario, un nano-materiale predisposto a 2 dimensioni. È composto da uno strato mono-atomico di atomi di carbonio disposti a forma geometrica esagonale. Il grafene è il materiale più sottile del mondo perché è composto solo da un atomo, che in comparazione risulta semplicemente un milione di volte più sottile di un capello umano. Il suo potere di resistenza risulta più forte dell’acciaio e resistente pari un diamante. Le applicazioni del grafene potrebbero performare in tutti i campi dove è richiesta robustezza, durata e flessibilità.

Da dove deriva il Grafene?

La sua scoperta è opera di due ricercatori russi che ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov. Il grafene deriva dalla grafite. Il materiale con cui sono composte le nostre matite, talmente sottile da essere considerato un materiale bidimensionale. Formato da unico strato di atomi di carbonio situati ai vertici di esagoni regolari posti su un reticolo planare. Per il momento il grafene è reperibile solo tramite laboratori di grafite. I cristalli di grafite vengono trattati con una soluzione acida a base di acido solforico e nitrico, per poi ossidarli ed esfoliarli fino ad ottenere cerchi di grafene con gruppi carbossilici ai bordi. Le sue proprietà lo rendono molto interessante per numerose applicazioni e in diversi campi della tecnologia, dall’elettronica all’aeronautica, dalla medicina all’esplorazione spaziale.

Gli utilizzi del Grafene

Il grafene è uno dei nano-materiali più resistenti e avanzati scoperti finora. La sua migliore specialità è quella di essere utilizzato per incrementare e potenziare la resistenza e la flessibilità di altri materiali. Tutti gli studi attuati hanno dimostrato che aggiungendo una piccola quantità di grafene a metalli, plastica, ecc, può rendere questi materiali molto più forti o più leggeri in base all’esigenza, senza togliere benefici di utilizzo e composizione.

In generale, il grafene è considerato uno dei materiali più importanti per lo sviluppo di molte tecnologie di prossima generazione. Per esempio, come le telecomunicazioni 5G, i telefoni con schermi flessibili e l’elettronica indossabile. Come anche per l’energia rinnovabile come le batterie, la sensoristica ed il filtraggio dell’acqua. Oltretutto, il grafene si sta anche inserendo nel settore biomedico, aprendo la strada alla somministrazione mirata di farmaci e ai biosensori di alto livello.

Come si produce il grafene

Per sperimentare la produzione di grafene basta prendere una matita e passarla su del nastro adesivo. Proprio in questo modo i due scienziati hanno ottenuto la prova di uno strato di grafene. Ma ovviamente, per ottenere un film predisposto ad applicazione e commercio non è esattamente così che si produce.
È proprio la produzione la vera innovazione del grafene. È un tema su cui c’è ancora molta fame di ricerca, ma fondamentalmente sono tre i sistemi principali destinati all’attuale uso: l’esfoliazione meccanica, l’esfoliazione in fase liquida e il sistema chimico CVD.

Con l’esfoliazione meccanica si applica una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata che è in grado di staccare e dispiegare 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. Il grafene CVD (Chemical Vapour Deposition) è prodotto attraverso un processo in cui gli atomi di carbonio sono evaporati. In seguito sono depositati su un foglio di rame. Quest’ultimo può essere usato per applicazioni come l’elettronica trasparente e flessibile e i rivestimenti anticorrosione.

Il grafene ha proprietà di resistenza meccanica elevata, oltre 100 volte più dell’acciaio perché gli atomi sono legati tra loro da legami chimici molto forti. Ha proprietà eletto-conduttive e termo-conduttive superiori a quelle del rame. Ha un rapporto tra superficie e peso molto elevato. Si pensi che un foglio di grafene del peso di un grammo copre una superficie pari alla metà di un campo da calcio. È inoltre totalmente impermeabile, flessibile e può essere reso otticamente trasparente e biodegradabile. Insomma, il grafene riunisce in sé proprietà che si trovano solo in materiali diversi. E la cosa paradossale è che la grafite ha meno proprietà del grafene, quindi in questo caso il contenuto è meglio del contenitore.

Le applicazioni del grafene

Il grafene appare quindi come un materiale rivoluzionario, ma quali sono le sue applicazioni? In che modo può migliorare il mondo? Vittorio Pellegrini, in un intervista, disse: “si possono fare nuovi composti super resistenti, leggeri e flessibili, che sono anche ignifughi. Possiamo usarlo per la coibentazione termica, per superfici ad alta capacità conduttiva come per esempio per il fotovoltaico. Possiamo fare batterie più efficaci e potenti, vernici, modulatori ottici per comunicazione dati e display. Le applicazioni sono moltissime e la parte difficile è la produzione del materiale in grande quantità”.

Ed è questa la sfida di BeDimensional di Bologna che ha messo a punto un sistema brevettato e innovativo per la produzione di grafene. Sta avvenendo un fatto simile a quello accaduto con l’alluminio, perché la parte di produzione è fondamentale ma non è sufficiente perché le aziende non saprebbero come usarlo. Quindi la necessità richiede di produrre il materiale migliore di tutti, ma anche di sviluppare soluzioni applicative seguendo richieste specifiche. Il grafene è difficile da vendere sfuso, bensì è alta la richiesta di prodotti affini con l’applicazione di esso.

I rivestimenti funzionali coating sono conosciuti per proteggere il prodotto da agenti esterni e calore, creati miscelando grafene con altri prodotti tipo plastiche e fibre per la produzione per esempio di occhiali o pezzi di automobile. La prima applicazione è il rivestimento per un filato perché lo rende elettricamente conduttivo, dopodiché, con una resina apposita e poi nastri adesivi termicamente conduttivi e copertine di libri che siano resistenti all’usura.

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