Il grafene: applicazioni e potenzialità

Costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, il grafene unisce la resistenza del diamante alla flessibilità della plastica, ed è il materiale più resistente che si conosca. Per alcuni sarà al centro della prossima rivoluzione tecnologica.

Focus di di Valerio Alessandroni

Un recente premio assegnato a tre scienziati estoni per il loro lavoro sulla tecnologia degli ultracondensatori ha riconfermato il grande interesse per il grafene in molti campi applicativi. In particolare, il trio formato da Jaan Leis, Mati Arulepp e Anti Perkson ha vinto il premio European Inventor of the Year dell’Ufficio europeo dei brevetti (EPO) per il lavoro svolto sulla tecnologia del grafene curvo. Brevettata dalla società estone Skeleton Technologies, la tecnologia del grafene curvo aumenta la quantità di energia immagazzinata dagli ultracondensatori, consentendo un tempo di ricarica di circa 15 s, con la possibilità di un milione di cicli di carica, senza l’utilizzo di materiali tossici.

Il candidato ideale per sostituire altri materiali convenzionali

I tentativi di isolare e caratterizzare il grafene iniziarono nel 1800, molto prima della scoperta di Andrej Gejm e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester nel 2004, che valse loro il premio Nobel per la fisica. Con un solo atomo di spessore, il grafene è oggi la sostanza più sottile e versatile al mondo, dalle molteplici proprietà: conduce il calore e l’elettricità, è flessibile e leggero, unisce straordinarie caratteristiche di resistenza meccanica e a trazione e ha un’elevata stabilità chimica. Monostrati di grafene impilati l’uno sull’altro formano grafite. Poiché un tipico atomo di carbonio ha un diametro di circa 0,33 nm, ci sono circa 3 milioni di strati di grafene in un foglio di grafite spesso 1 mm. Il nuovo materiale sta cambiando le regole del mercato globale grazie alla sua potenziale diffusione negli ambiti più disparati, dalla moda, al design, alle batterie, alle nanotecnologie. La combinazione di queste straordinarie proprietà rende il grafene un materiale unico, ma ciò che ne fa davvero un’enorme promessa in una prospettiva macroeconomica è che in sostanza si tratta di carbonio, ossia di uno degli elementi più abbondanti sulla Terra. Questo è il motivo per cui il grafene ha attirato un enorme interesse sociale, economico e industriale negli ultimi anni, ed è per questo che alcune fonti prevedono che sarà al centro della prossima rivoluzione tecnologica. I materiali a base di grafene sono emersi come i candidati ideali per sostituire altri materiali convenzionali attualmente utilizzati come elettrodi nei dispositivi di accumulo di energia (la maggior parte dei quali è a base di grafite o altre forme di carbonio). Tuttavia, oggi i metodi per la produzione di materiali a base di grafene richiedono trasformazioni chimiche in più fasi, rendendo la loro produzione industriale ancora difficile e molto costosa.

I metodi per la sintesi del grafene

La sintesi del grafene è qualsiasi processo di fabbricazione o estrazione del grafene dalla grafite. Il metodo migliore è regolato dalla dimensione, la quantità e la purezza desiderate. La tecnica di sintesi contribuisce alla struttura e alle proprietà del grafene prodotto. I produttori commerciali di grafene utilizzano vari percorsi di produzione. In particolare, i metodi “bottom-up” si basano principalmente sulla deposizione chimica in fase vapore (CVD) di composti ricchi di carbonio, per formare fogli di carbonio 2D. La qualità ottenuta dal grafene “bottom-up” è generalmente elevata, ma purtroppo questi metodi non sono facilmente scalabili e risultano costosi. Al contrario, i metodi “top-down” utilizzano tecniche molto più economiche e scalabili. Molte vie di sintesi su larga scala comportano fasi intermedie di esfoliazione dell’ossido di grafene (GO) e successiva riduzione a ossido di grafene ridotto (rGO). Tuttavia, i buoni risultati ottenuti in termini di resa vanno a scapito della qualità e della costanza.

Verso una produzione sostenibile, a basso costo e di alta qualità

Attualmente, le tecniche più comuni disponibili per la produzione di grafene includono: clivaggio micromeccanico, CVD, crescita epitassiale su substrati di carburo di silicio (SiC), riduzione chimica dell’ossido di grafene esfoliato, esfoliazione in fase liquida (LPE) di grafite e decompressione di nanotubi di carbonio. Ciascuno di questi metodi può presentare vantaggi e limitazioni a seconda delle applicazioni di destinazione. Al fine di superare queste barriere nella commercializzazione del grafene, i ricercatori di tutto il mondo stanno compiendo sforzi concertati per sviluppare nuovi metodi per la produzione su larga scala di grafene a basso costo e di alta qualità, tramite un metodo semplice e approcci ecologici. I ricercatori sono già riusciti a produrre grandi pellicole di grafene simili a cristalli singoli, lunghe più di 30 cm praticamente su qualsiasi superficie piana, un passo verso la commercializzazione.

Le principali proprietà del grafene

Il grafene ha delle eccellenti proprietà elettroniche, essendo uno dei migliori conduttori elettrici sulla Terra. L’esclusiva disposizione atomica degli atomi di carbonio nel grafene consente ai suoi elettroni di muoversi facilmente a velocità molto elevate senza significative dispersioni, risparmiando preziosa energia tipicamente persa in altri conduttori. Gli elettroni che si muovono attorno agli atomi di carbonio interagiscono con il potenziale periodico del reticolo a nido d’ape del grafene, dando origine a nuove quasiparticelle che hanno perso la loro massa, o massa a riposo. Ciò significa che il grafene non smette mai di condurre. È stato anche scoperto che nel grafene gli elettroni viaggiano molto più velocemente che in altri semiconduttori. Ecco altre caratteristiche: la mobilità elettronica del grafene è cento volte maggiore rispetto a quella del silicio; conduce il calore due volte meglio del diamante; la sua conduttività elettrica è tredici volte migliore del rame; assorbe solo il 2,3% della luce riflettente; è impermeabile, impedendo anche all’atomo più piccolo (elio) di passare attraverso un foglio di grafene monostrato privo di difetti; la sua elevata superficie di 2.630 m2 per grammo significa che con meno di 3 grammi si potrebbe coprire un intero campo da calcio.

Le eccezionali proprietà meccaniche intrinseche del grafene, la sua rigidità, resistenza e tenacità sono uno dei motivi per cui si distingue sia come materiale individuale, sia come agente di rinforzo nei materiali compositi. Ciò deriva dalla stabilità dei legami che formano il reticolo esagonale, e che si oppongono alle deformazioni nel piano. Il grafene monostrato privo di difetti è considerato il materiale più resistente mai testato con una resistenza di 42 N m-1, che equivale a una resistenza intrinseca di 130 GPa. La tenacità alla frattura, che è una proprietà molto rilevante per le applicazioni ingegneristiche, è una delle proprietà meccaniche più importanti del grafene, ed è stata misurata come fattore critico di intensità di sollecitazione di 4,0 ±0,6 MPa. Gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando allo sviluppo di fogli di grafene fabbricabili industrialmente, con un’elevata resistenza e tenacità in tutte le direzioni dei fogli stessi per diverse applicazioni come compositi a base di grafene per veicoli, optoelettronica e impianti neurali.

Quali sono le potenziali applicazioni?

La combinazione delle proprietà del grafene offre un’ampia piattaforma per lo sviluppo di tecnologie di nuova generazione in molte aree: elettronica indossabile e superveloce, sensori ultrasensibili, compositi e rivestimenti multifunzionali, membrane, medicina e biotecnologia, raccolta e stoccaggio di energia. Il grafene può essere inoltre combinato con altri elementi (compresi gas e metalli) per produrre materiali diversi con diverse proprietà superiori. Tra le possibili applicazioni del grafene possiamo annoverare: batterie, transistor, chip per computer, generazione di energia, supercondensatori, filtri per l’acqua, antenne, touchscreen per display LCD o OLED e celle solari. In particolare, un’applicazione nel settore dell’elettronica riguarda le batterie al litio, i cui elettrodi sono generalmente costituiti dalla grafite. Il grafene, in sostituzione a quest’ultima, può aumentare la vita utile della batteria e renderla più efficiente. Il grafene è infine l’elemento costitutivo di base per altri materiali grafitici come i nanotubi di carbonio. Più duro del diamante ma più elastico della gomma, più resistente dell’acciaio ma più leggero dell’alluminio: il grafene è il materiale più resistente conosciuto.