Il grafene, un materiale che cambierà il Mondo

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Grafene: cos’è e come cambierà il futuro. Il grafene è un materiale a 2D: un foglio di carbonio dello spessore di un atomo. La sua scoperta è valsa il premio Nobel del 2010 e sta invadendo tutti i campi della tecnologia, dall’elettronica all’aeronautica, dalla medicina all’esplorazione spaziale.

La struttura ordinata del grafene è alla base delle sue proprietà. Gli elettroni possono spostarsi da un atomo di carbonio all'altro senza dispendio di energia, e questo lo rende un conduttore perfetto.|OliveTree / Shutterstock
La struttura ordinata del grafene è alla base delle sue proprietà. Gli elettroni possono spostarsi da un atomo di carbonio all’altro senza dispendio di energia, e questo lo rende un conduttore perfetto.|OliveTree / Shutterstock

Quando gli atomi di carbonio si legano in maniera casuale, si ottiene la grafite, quella delle matite, per intenderci. Quando invece la struttura è ordinata, ecco che abbiamo il diamante. Da pochi anni è comparso un nuovo materiale fatto di carbonio, il grafene: ha una struttura ordinata, ma solo 2 dimensioni. Si tratta infatti di un “foglio” dello spessore di un singolo atomo (monoatomico): un materiale dalle proprietà fantascientifiche che fa pensare alle idee (fantascientifiche) degli ascensori spaziali e delle navi spaziali spinte da vele solari.

La foto di una molecola di grafene, composto esclusivamente da atomi di carbonio. | IBM Research - Zurich
La foto di una molecola di grafene, composto esclusivamente da atomi di carbonio. | IBM Research – Zurich

Fu scoperto per caso nel 2004 in un laboratorio inglese, quando due scienziati cercavano di ottenere uno strato di grafite più sottile possibile. I due futuri premi Nobel, armati di nastro adesivo e tanta pazienza, hanno asportato la grafite una striscia alla volta, fino a rimanere con uno strato di carbonio monoatomico, prima di allora ritenuto impossibile.

Konstantin Novoselov, scopritore del grafene e premio Nobel 2010. | Graphene Flagship
Konstantin Novoselov, scopritore del grafene e premio Nobel 2010. | Graphene Flagship

Nessun limite? Negli anni sono stati introdotti metodi di produzione del grafene sempre nuovi e oggi, ogni mese, si creano diverse tonnellate di questo leggerissimo materiale. «Quello del grafene è un fenomeno veramente globale», dichiara a Focus Konstantin Novoselov, uno dei due autori della scoperta. «Per alcuni ambiti di applicazione mi sento un esperto, per altri non finisco mai di stupirmi per ciò che si può e si riesce a fare col grafene.»

«Ora il vero limite è capire come sfruttare al meglio le sue incredibili proprietà», spiega Marco Molina, responsabile del settore Ricerca e sviluppo di Leonardo, azienda aerospaziale italiana che sta investendo molto su questo materiale. Leondardo si propone di applicarlo per evitare che le ali degli aerei si ghiaccino, ma anche per il raffreddamento dell’elettronica di bordo e per la progettazione di schermi tattili e flessibili.

Di grafene, ma anche di robotica e altre tecnologie, di salute e di spazio si parlerà al Focus Live, il festival della nostra rivista che si terrà a Milano, in collaborazione con il Museo Nazionale Scienza e Tecnologia, dall’8 all’11 novembre: 50 mila metri quadrati di incontri, laboratori ed eventi, per incontrare da vicino i “top player” della scienza internazionale.

Pietra Filosofale. Come tutti i materiali, anche il grafene ha diversi utilizzi. Nella vita di tutti i giorni possiamo averlo già incrociato dentro racchette, caschi, scarpe… Ma grazie alle sue proprietà uniche (e ancora in buona parte da scoprire) può adattarsi ai ruoli più diversi.

Grazie alla possibilità di creare “buchi” nella sua struttura, può diventare un depuratore d’acqua o un filtro per l’aria. Oppure una parete molecolare che imita la membrana delle cellule, e quindi fa passare solo alcune sostanze.

La sua conduttività elettrica (è meglio del rame) lo può rendere una minuscola lampadina o una retina bionica, ma soprattutto stravolgerà il mondo dell’informatica con circuiti stampati. Inoltre, applicato ai microfoni dinamici, ne amplifica di 32 volte la sensibilità.

Utilizzando fogli di grafene, sono state realizzate costruzioni spugnose in 3D, 10 volte più dure dell’acciaio e decisamente più leggere. Ed è proprio per questo connubio fra resistenza e leggerezza che il grafene è stato indicato come possibile materiale per fabbricare vele solari per futuribili navi spaziali destinate alle lunghe percorrenze.

Marco Molina, di Leonardo, all'esperimento per testare il grafene in microgravità. | Leonardo
Marco Molina, di Leonardo, all’esperimento per testare il grafene in microgravità. | Leonardo

Vele solari. Leonardo sta già sviluppando sistemi basati sul grafene per raffreddare l’elettronica dei satelliti. Ma l’idea più interessante è quella di utilizzare il grafene come vela sospinta dai raggi del Sole. «Potrebbe persino permetterci di esplorare altri sistemi solari», afferma Marco Molina: «queste vele potrebbero essere larghe diversi chilometri quadrati e pesare appena pochi etti.»

Illustrazione di un elevatore spaziale. Ci permetterebbe di inviare nello spazio cose e persone senza un grammo di carburante. | Nasa
Illustrazione di un elevatore spaziale. Ci permetterebbe di inviare nello spazio cose e persone senza un grammo di carburante. | Nasa

Ascensore spaziale. Arthur C. Clarke, con Le fontane del paradiso (1979), immagina un cavo in carbonio purissimo che collega un satellite alla Terra. Dobbiamo però ancora risolvere la questione dell’affidabilità di un cavo lungo 36 km, la lunghezza minima per un ascensore spaziale.

Tuttavia, come ricorda Molina, «un cavo di materiale tradizionale rinforzato di grafene si potrebbe realizzare velocemente, ma l’ascensore spaziale è un’idea davvero avveniristica».

Un circuito flessibile realizzato in grafene. | Graphene Flagship
Un circuito flessibile realizzato in grafene. | Graphene Flagship

Chimere chimiche. In effetti si stanno sviluppando molti composti di grafene e altri materiali. Come un ibrido con la seta delle ragnatele, o con lo stesso diamante. Uno slime al grafene può sentire i passi di un ragno, mentre l’ossido di grafene è stato già impiegato per schermi olografici e per rendere potabile l’acqua di mare.

Grafene Style. Restando nello stesso tipo di fisica, ci sono fogli monoatomici anche di altri elementi, come lo stagno (stanene) o il silicio (silicene), impiegati per circuiti elettrici e transistor. Combinare insieme diversi fogli potrebbe essere la giusta strada per ottenere schermi tattili ultrasottili, per applicazioni anche aerospaziali.

Solo in italia si produce più di una tonnellata di grafene al mese. | Graphene Flagship
Solo in italia si produce più di una tonnellata di grafene al mese. | Graphene Flagship

Unica bandiera. Campi d’utilizzo estremamente differenti e molti centri di ricerca… Per coordinare il tutto senza sprecare risorse (economiche, ma anche di competenze scientifiche) è nata l’iniziativa europea Graphene Flagship. Da 5 anni, con fondi europei, il consorzio coordina il lavoro di industrie, università e organizzazioni di ricerca, per un totale di 158 enti in 23 paesi UE.

Ora la Graphene Flagship sta virando dallo sviluppo dei materiali alla realizzazione di componenti e dispositivi. È suo compito anche quello di verificare la pericolosità delle nuove tecnologie sviluppate. Il grafene rimane un nanomateriale ed è bene valutare scrupolosamente la sua potenziale tossicità.

Le nuove costruzioni faranno ampio uso di grafene, schiuma di carbonio, cemento trasparente e altri materiali superleggeri e ultraresistenti. | Hewden.co.uk
Le nuove costruzioni faranno ampio uso di grafene, schiuma di carbonio, cemento trasparente e altri materiali superleggeri e ultraresistenti. | Hewden.co.uk

Il materiale del futuro. Fra gli enti nella Flagship ci sono aziende come Leonardo, ma anche il Consiglio Nazionale delle Ricerche. Il suo primo ricercatore, il fisico nucleare Valerio Rossi Albertini, dichiara: «il grafene è il materiale che comporterà la più grossa rivoluzione tecnologica dei prossimi vent’anni, perché cambierà la nostra vita quotidiana».

Dello stesso parere è Novoselov, che attualmente guarda con estremo interesse all’uso del grafene nell’optoelettronica e nelle telecomunicazioni, ma, afferma, «anche se le applicazioni biomedicali saranno formidabili, sono impaziente di scoprire quelle applicazioni a cui ora non riusciamo neanche a pensare, perché il grafene offre molto più di qualsiasi altro materiale».

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