Grafene - Il materiale delle meraviglie

di Laura Morelli e Michele Viola

Nel 2010, il premio Nobel per la fisica fu assegnato ai ricercatori Andrej Geim e Konstantin Novoselov per la scoperta e lo studio approfondito di un nuovo materiale rivoluzionario: il grafene. Da quel momento il grafene è stato studiato e analizzato in tutte le sue caratteristiche, continuando ad attrarre molta attenzione all’interno del mondo scientifico per le sue straordinarie proprietà e per le sue vaste possibilità di applicazione. Lo stesso Geim, in uno dei suoi articoli, lo ha descritto come un materiale che “può, quasi, emettere magia”.

Ma in che cosa consiste il grafene? E perché la sua scoperta ha meritato un premio così importante?

Parente del diamante e della grafite, il grafene è un materiale bidimensionale (cioè estremamente piatto, dello spessore di un singolo atomo) il cui reticolo cristallino è costituito da soli atomi di carbonio densamente organizzati a nido d’ape. La stessa struttura si può ritrovare nella grafite, che in pratica è costituita da tanti strati di grafene sovrapposti l’uno sull’altro e tenuti insieme da deboli legami tra gli atomi dei diversi strati. Ed è infatti dalla grafite che si è riuscito a ricavare il primo campione di grafene.

Nel 2004, in seguito a vari tentativi, Geim e Novoselov riuscirono a isolare un singolo strato di grafene tramite il metodo “scotch-tape”. Utilizzando un semplice nastro adesivo, i ricercatori hanno esfoliato ripetutamente un blocco di grafite, fino ad ottenerne un solo strato: il grafene, appunto. Prima di allora si pensava che un materiale di due sole dimensioni non potesse esistere a temperatura ambiente, a causa dell’instabilità della sua struttura cristallina. Il grafene è stato perciò il primo materiale bidimensionale di cui si è scoperta l’esistenza. Nonostante il risultato ottenuto fosse già di per sé straordinario, ciò che valse ai due fisici il premio Nobel per la fisica fu lo studio delle sue proprietà “quasi magiche”.

Senza inoltrarsi troppo in lunghe e complicate discussioni tra fisica atomica e meccanica quantistica, una breve panoramica su alcune di quelle che sono le proprietà e le possibili applicazioni del grafene potrebbe aiutare a comprendere l’importanza di tale scoperta.

Sottile, leggero e flessibile: lo spessore di un solo atomo rende il grafene il materiale più sottile conosciuto, fino a un milione di volte più sottile di un capello umano. Questa caratteristica, insieme alla robustezza del reticolo cristallino, permette di realizzare fogli con il più elevato rapporto area/volume disponibile finora in natura, oltre a renderlo flessibile ed elastico.

Dalla forza dei legami tra i vari atomi deriva anche un’altra importante proprietà: la robustezza. Il grafene risulta essere il materiale più robusto al mondo, fino a 200 volte più resistente dell’acciaio.

Altre caratteristiche notevoli sono la trasparenza e la conducibilità: data la sottigliezza del singolo strato, il grafene assorbe solo il 2% della luce che lo colpisce, rivelandosi quasi completamente trasparente; inoltre è un ottimo conduttore sia elettrico che termico: l’elevata mobilità delle cariche e la perfezione del reticolo cristallino lo rendono un conduttore migliore del rame, oltre che il materiale con la più alta conducibilità termica tra quelli finora conosciuti.

Il grafene puro, inoltre, risulta essere naturalmente impermeabile, ma allo stesso tempo l’introduzione controllata di difetti sulla sua superficie lo possono rendere traspirante per alcune molecole scelte, rendendolo selettivamente permeabile.

Il grafene, tra l’altro, presenta intrinsecamente un’ottima compatibilità ambientale.

Tutte queste notevoli caratteristiche lo rendono un materiale unico, adatto all’applicazione in numerosi ambiti. Nel settore dell’elettronica è possibile pensare ad utilizzi nello sviluppo di dispositivi flessibili e indossabili, o per la creazione di schermi trasparenti o di processori più veloci e a bassissimo consumo di energia. Date le piccole dimensioni del materiale e la sua incredibile conducibilità a temperatura ambiente, oltre alle notevoli prestazioni in alta frequenza, il grafene risulta un promettente sostituto ai tradizionali semiconduttori in numerose applicazioni. Attualmente, le maggiori difficoltà nella realizzazione di transistori al grafene sono collegate proprio all’ottima conducibilità del grafene puro, al contrario del silicio che da puro è, appunto, solo un semi-conduttore. L’inserzione controllata di impurità permette di rendere il silicio conduttore, determinando anche il segno delle cariche di conduzione. L’ossido di silicio, inoltre, è un ottimo isolante elettrico e si può utilizzare in maniera relativamente semplice per separare i diversi circuiti sullo stesso chip. Questa tecnologia, nel caso del grafene va profondamente rivista e la trasformazione delle linee di produzione non sarà presumibilmente realizzabile né semplicemente, né in breve tempo.

Un’applicazione notevole è quella delle antenne: grazie alla sua elevata conducibilità, anche a frequenze altissime, sono state realizzate antenne molto efficienti in termini energetici, anche su dispositivi indossabili grazie alla flessibilità del materiale.

Nel campo dei sensori, le proprietà fisiche del grafene lo rendono un ottimo materiale sensibile per applicazioni come la rilevazione di componenti tossiche nell’aria o nell’acqua. Inoltre, la potenziale compatibilità biologica può essere sfruttata per importanti applicazioni in campo biomedico. Un promettente esempio sono i bio-sensori in grado di monitorare in tempo reale i livelli di analiti target (glucosio, colesterolo, ecc.) in pazienti affetti da patologie croniche.

Uno dei settori in cui il grafene sta attirando più attenzione è quello del filtraggio di aria e acqua. La sua affinità con numerosi analiti e la possibilità di essere reso selettivamente permeabile, rendono possibile la sua applicazione nel filtraggio dell’aria e dell’acqua da componenti inquinanti, oltre che per la desalinizzazione dell’acqua di mare.

L’aggiunta di una piccola percentuale di grafene in materiali composti e in vernici può variarne significativamente le proprietà fisiche, rinforzandoli e allo stesso tempo alleggerendoli notevolmente. L’utilizzo per la creazione di nuove fibre di carbonio sembra essere tra le più promettenti. Ma anche l’uso nel tessile, per la creazione di tessuti smart, e nelle gomme di ruote e pneumatici, portando a minori forature e migliori performance su strada.

La flessibilità e la robustezza del grafene lo rendono potenzialmente promettente per la realizzazione di altoparlanti. Attualmente il maggiore ostacolo riguarda la difficoltà nel produrre membrane in grafene di dimensioni superiori a qualche mm², per cui al momento è possibile trovare altoparlanti al grafene solamente all’interno di cuffie auricolari, peraltro di qualità piuttosto elevata dal punto di vista acustico e anche dal punto di vista energetico. Anche per quanto riguarda i microfoni, la possibilità di realizzare membrane (e bobine) migliaia di volte più leggere della carta promette di mostrare presto novità significative.

Il grafene e suoi derivati possono avere un importante impatto anche nell’ambito energetico in generale, dall’utilizzo in nuove e più efficienti celle solari all’applicazione in super-condensatori e batterie. In qualche anno le auto elettriche potranno avere batterie al grafene con un’autonomia di 600 km, invece dei 100/200 km concessi dalle batterie odierne, e con un tempo di ricarica molto inferiore.

Le caratteristiche del materiale possono far pensare, con un po’ di creatività e immaginazione, a diverse altre interessanti applicazioni future, dagli schermi video indossabili, ai tessuti luminosi, alla realizzazione di fly-case resistentissimi e leggerissimi.

L’interesse per “il materiale del futuro” è in crescita in un numero sempre maggiore di paesi, e anche l’Italia non si tira certo indietro: il Centro Nazionale di Ricerca (CNR) si è guadagnato la posizione di vice presidenza del Graphene Flagship, progetto europeo della durata di 10 anni che prevede fondi di 1 miliardo di euro per la ricerca e sviluppo del grafene e dei suoi derivati.

Non solo, l’Italia è anche sede del più grande impianto europeo per la generazione di fogli di grafene, le Officine del Grafene, in grado di produrne fino a 30 tonnellate all’anno.

E il numero di start-up a base di grafene cresce di anno in anno, con la speranza di far parte di un mercato in crescita che, secondo alcune previsioni, potrebbe raggiungere entro il 2025 un valore di oltre due miliardi di dollari. 

di Alfio Morelli

E SE DOMANI…

 La parte di me visionaria e creativa è stata quanto mai stimolata dalla lettura di questo articolo. Mi sono infatti passate per la mente alcune soluzioni che si potrebbero sviluppare nel tempo grazie a questa tecnologia, solo fantasie, legate all’esperienza di chi bazzica da alcuni decenni al settore dell’intrattenimento: molte ovviamente non saranno forse mai realizzate, ma alcune potrebbero invece cambiare non poco il nostro mondo.

Provate a pensare ai microfoni: tempo fa il nostro ingegner Viola aveva accennato a una ditta australiana che stava sviluppando delle griglie di trasduttori per applicazioni audio; questo, associato alla tecnologia del grafene, mi permette di immaginare una carta da parati comprendente migliaia di microfoni con la quale si potrebbero rivestire le pareti di uno studio di registrazione per catturare il suono in vere registrazioni 3D. Ma se è vero che un microfono è fondamentalmente un altoparlante al rovescio, la stessa carta da parati, o un modello analogo, potrebbe essere utilizzata anche per la diffusione sonora, eliminando una volta per tutte le antiestetiche casse acustiche e relativi cablaggi, con buona pace delle mogli non appassionate di Hi-Fi. 

Ma poiché questo materiale è estremamente conduttore e resistente, si potrebbero realizzare anche dei pixel luminosi: mentre ascoltiamo musica potremo così illuminare l’ambiente, magari con il colore che più ci aggrada al momento. Pare inoltre che una delle applicazioni del grafene sarà nella creazione di schermi video… quindi la nostra carta da parati potrà anche essere usata come televisore: insomma potremmo avere una o più pareti che diffondono musica, illuminano l’ambiente e visualizzano i nostri film preferiti.

Non passerà molto tempo prima che si possano vedere i primi artisti sul palco vestiti con un tessuto capace di riprodurre dei video: qualche esperimento in tal senso, anche se in forma diversa e rudimentale, lo abbiamo già visti in passato. 

Già adesso sono in commercio degli indumenti con una composizione mista di stoffa con qualche filo di grafene, capace di riscaldare il capo d’abbigliamento grazie a delle batterie.

Continuando a fantasticare, sicuramente potranno essere prodotti cavi di potenza e di segnale con caratteristiche e potenzialità strabilianti. Inoltre il grafene ci aiuterà a sviluppare dei gobos video, idea che era già stata sperimentata tempo fa ma con poco successo; stessa cosa dicasi per la scocca dei proiettori, che il nuovo materiale renderebbe più leggeri e resistenti, capaci di condurre efficacemente il calore senza fare entrare acqua o umidità. 

E i palchi? Perché no? Si potrebbero sviluppare materiali compositi in sostituzione all’alluminio, per creare strutture e americane meno pesanti e più resistenti. Per non parlare della tecnologia per la costruzione di flightcase, sempre alla ricerca di materiali leggeri per risparmiare peso nei trasporti aerei.

Solo fantasie, dicevo, e chissà quale altre applicazioni che nemmeno la fantasia al momento riesce a raggiungere: probabilmente non possiamo nemmeno immaginare quanto cambieranno tutti i settori in cui la tecnologia è una parte dominante.