Il grafene è un semimetallo composto di un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d’ape esagonale, per formare un materiale bidimensionale (2D) che vanta eccezionali proprietà meccaniche, elettriche e termiche. Costituisce la struttura di base per altre forme grafitiche come i nanotubi di carbonio e i fullereni.
“Si candida perfino a rimpiazzare il silicio“, aggiunge il Alessandro Paccagnella, docente di elettronica all’Università di Padova, “tuttavia presenta limiti, compresi ostacoli, e, dal punto di vista dei processi di fabbricazione, consolidati in decadi, il silicio, robustissimo, ha ancora lunga vita. Questo nanomateriale, che non emette luce, dovrà trovarsi il suo spazio, come lo stanno facendo il carburo di silicio e il nitruro di gallio con i led di nuova generazione a bassissimo consumo energetico, su cui si concentrano gli sforzi i ricercatori colleghi del Dei in collaborazione con il gruppo guidato dal premio Nobel Hiroshi Amano”.
“Il grafene inoltre consente progressi nelle batterie e nelle celle a combustibile”, commenta Massimo Guarnieri, professore di Ingegneria elettrica e di Storia della tecnologia presso l’Università di Padova, tuttavia “si tratta di tecnologie innovative non ancora commercializzate o che sono soltanto in una fase iniziale di pre-commercializzazione”.
Ecco quali sono le sue proprietà e le principali applicazioni, a partire dai settori principali, ma anche quali sono i problemi ancora aperti.
La scoperta
Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester per questa scoperta, risalente al 2004, hanno ricevuto il premio Nobel nel 2010.
A lungo studiato sotto il profilo teorico, veniva considerato instabile dal punto di vista termodinamico fino alla sua effettiva dimostrazione sperimentale [1].
Ciò che rende il grafene un materiale rivoluzionario è la sua singolare combinazione di proprietà. Non è solo il materiale più sottile esistente, con uno spessore di un singolo atomo di carbonio, ma è anche uno dei materiali più resistenti, conduttore di calore superiore di qualsiasi altro materiale, eccellente conduttore di elettricità. Inoltre è otticamente trasparente, ma, al contempo, così denso da risultare impermeabile persino all’elio, l’atomo gassoso di più piccole dimensioni.
La sua struttura bidimensionale conferisce infine al grafene caratteristiche uniche come l’assorbimento del 2,3% della luce bianca incidente, una conducibilità termica superiore a 5000 W/mK e una resistenza intrinseca di 130 GPa, oltre 200 superiore a quella dell’acciaio [2].
Ecco cos’è il grafene e quali potenzialità vanta in ambito sostenibilità, bio-medicale e nei semiconduttori.
Un materiale versatile e promettente
Le proprietà elettroniche del grafene suscitano l’entusiasmo dei ricercatori nel campo della nanotecnologia che lavorano nell’ambito dell’elettronica molecolare. Il grafene è infatti uno dei migliori conduttori di elettricità sulla Terra.
La peculiare disposizione atomica del carbonio nel grafene permette agli elettroni di muoversi ad altissima velocità senza subire fenomeni di scattering,
risparmiando preziosa energia normalmente dissipata in altri conduttori. Gli elettroni nel grafene, interagendo con il potenziale periodico del reticolo, danno origine a quasi-particelle prive di massa a riposo, dette fermioni di Dirac relativistici, che conferiscono al grafene proprietà uniche come l’assenza di localizzazione degli elettroni anche a concentrazione nominalmente nulla di portatori [3].
Le proprietà del grafene
Il grafene presenta diverse proprietà che lo rendono un materiale molto versatile e
promettente. Tra queste, ci sono:
- resistenza: il grafene è il materiale più resistente mai scoperto, con una resistenza alla trazione finale di circa 130 GPa, che è molto superiore a quella di altri materiali come il diamante e il titanio;
- leggerezza: il grafene è incredibilmente leggero, con una densità di circa 0,77 mg/cm³, molto inferiore a quella di altri materiali;
- conduzione del calore e dell’elettricità: è un eccellente conduttore del calore e dell’elettricità, con una resistività elettrica molto bassa;
- elasticità: presenta proprietà elastiche, mantenendo la sua dimensione iniziale dopo lo sforzo;
- ultrafiltrazione: il grafene è quasi completamente impermeabile a liquidi e gas, ma consente all’acqua di attraversarlo, rendendolo un materiale ideale per l’ultrafiltrazione.
Le peculiari proprietà meccaniche del grafene, come rigidità, resistenza e tenacità, sono caratteristiche che lo rendono un materiale innovativo. Queste proprietà derivano dalla stabilità dei “legami Sp2” che formano il reticolo esagonale e si oppongono a vari tipi di deformazioni nel piano.
Numerosi studi sperimentali hanno misurato un modulo di Young intorno a 1 TPa e una resistenza intrinseca di 42 N/m, confermando il grafene come il materiale più robusto mai testato. Più duro del diamante eppure più elastico della gomma.
La sua resistenza e leggerezza rendono il grafene un candidato ideale per applicazioni strutturali leggere come nell’industria aerospaziale o per dispositivi elettromeccanici risonanti come i NEMS [4].
Le applicazioni del grafene
Le potenziali applicazioni del grafene spaziano in numerosi campi grazie alla sua combinazione unica di proprietà che abbiamo elencato. Nell’elettronica, l’elevata mobilità dei portatori di carica e la bassa rumorosità rendono il grafene un candidato ideale per semiconduttori ad alte prestazioni, memorie non volatili e dispositivi optoelettronici come fotodetector per comunicazioni ottiche ultraveloci. “Nel campo dei semiconduttori e microelettronica l’alta conducibilità elettrica rappresenta un vantaggio“, afferma Alessandro Paccagnella, docente di elettronica presso il Dipartimento di ingegneria dell’informazione (DEI) dell’Università di Padova, dove terrà anche il nuovo corso sulle correlazioni fra geopolitica e microelettronica, “ciò che è stato dimostrato in uno studio, pubblicato su Nature da ricercatori cinesi e statunitensi, è che il grafene può essere un semiconduttore, ad alta temperatura. Un passaggio epocale di grande rilevanza dal punto di vista scientifico, perché c’erano attese sullo sfruttamento delle proprietà quantomeccaniche del grafene. Ma ciò è stato ottenuto in una dimensione estremamente ridotta. Il grafene è dunque uno dei principali candidati a sostituire il silicio, tuttavia ha ancora molti limiti: “.
La sua eccellente conducibilità elettrica e termica, unita alla trasparenza ottica e alla flessibilità, lo rendono inoltre adatto per la realizzazione di elettrodi trasparenti e conduttori per schermi flessibili, touch screen e celle fotovoltaiche [5].
Le potenzialità del materiale
Grazie alle sue proprietà, il grafene ha un potenziale enorme in vari campi:
- elettronica: i transistor e i circuiti integrati a base di grafene promettono di essere molto più veloci ed efficienti rispetto alle tecnologie attuali. Ciò potrebbe portare a computer e dispositivi mobili più potenti e a basso consumo energetico;
- materiali compositi: il grafene viene utilizzato per rinforzare materiali compositi, migliorandone la resistenza senza aumentarne il peso. Particolarmente utile in settori come l’aeronautica e l’automotive;
- energia: nelle batterie al litio e nei supercondensatori, il grafene può migliorare la capacità di immagazzinamento e la velocità di ricarica. Questo potrebbe portare a batterie che si ricaricano in pochi minuti e durano molto più a lungo;
- sensori: quelli a base di grafene possono rilevare quantità minime di sostanze chimiche o biomolecole, rendendoli estremamente utili per il monitoraggio ambientale e medico;
- chimica e fisica dei materiali (rivestimenti e vernici): Il grafene può trovare impiego nella creazione di rivestimenti resistenti alla corrosione e alle alte temperature, prolungando la durata di vari materiali.
Quali vantaggi apporta alle batterie
Nel campo dell’energia, il grafene trova applicazione in batterie e supercondensatori grazie alla sua elevata area superficiale e alle proprietà di trasporto elettronico.
“Il grafene può permettere notevoli progressi nelle batterie e nelle celle a combustibile”, commenta Massimo Guarnieri, professore di Ingegneria elettrica e di Storia della tecnologia presso l’Università di Padova: “Nelle batterie ricaricabili”, infatti, “consente:
- migliore conducibilità e quindi minori perdite e maggiore efficienza;
- elevata densità di potenza;
- flessibilità e durabilità;
- conduzione termica (migliore controllo termico);
- ricarica e scarica molto rapide“.
Inoltre, alle celle a combustibile, “promette:
- migliore reattività elettrochimica;
- migliore trasporto di reagenti e prodotti di reazione nelle celle;
- resistenza alla corrosione;
- migliore conducibilità e quindi minori perdite e maggiore efficienza”.
Il grafene in medicina
Il grafene è anche molto promettente in campo medico, in particolare nella diagnostica, nell’ambito della somministrazione di farmaci, nei tessuti biocompatibili e nelle immagini mediche.
I sensori a base di grafene possono infatti rilevare biomarcatori specifici di malattie con una sensibilità eccezionale, migliorando la diagnosi precoce di condizioni come il cancro.
Può inoltre essere utilizzato per creare sistemi di rilascio controllato di farmaci, migliorando l’efficacia delle terapie e riducendo gli effetti collaterali.
La sua impermeabilità ai gas, infatti, lo rende promettente per membrane di separazione di gas e filtraggio dell’acqua. La sua resistenza e conducibilità termica ne permettono l’uso per la dissipazione del calore in dispositivi elettronici.
Nell’ambito biomedico, il grafene viene studiato per biosensori, sistemi di veicolazione di farmaci, ingegneria tissutale e dispositivi neurali sfruttando biocompatibilità, proprietà elettriche e meccaniche. Infine, le sue caratteristiche meccaniche lo rendono un ottimo rinforzo per materiali compositi polimerici leggeri e resistenti [6].
Grazie alla sua biocompatibilità, è adatto per la creazione di tessuti artificiali e impianti medici, riducendo il rischio di rigetto e aumentando la durata degli impianti.
Può infine migliorare le tecnologie di imaging, come la risonanza magnetica e la tomografia computerizzata, rendendo le immagini più chiare e dettagliate.
Vittima illustre del complottismo
Questo materiale, dalle innumerevoli applicazioni nei campi più rilevanti e innovativi, è però caduto vittima del complottismo e della dilagante disinformazione.
Presente nei vaccini, bersaglio principali delle tempeste di fake news, il grafene viene additato come tossico e nocivo.
Secondo uno studio, condotto dall’Università di Sassari e pubblicato su Angewandte Chemie, il grafene consente di eliminare le cellule cancerose di una leucemia di un particolare tipo, ma, nel mondo del cospirazionismo, ha assunto un’accezione negativa, capace di scatenare paure, paranoie e visioni apocalittiche, in sintonia con i temi di QAnon.
Il grafene è diventato protagonista delle campagne no Vax, dopo il tam tam sul 5G, diffuso da Gunter Pauli, durante la pandemia, consulente scientifico del presidente del Consiglio italiano Giuseppe Conte (prima della rottura coi complottisti, al ritmo di dpcm per dichiarare i lockdown).
Nel famigerato canale Telegram, Italian Patriots (dove l’epiteto “patriota” indica i seguaci di Qanon), si legge che il grafene è quel metallo con cui si trasformano tutti i vaccinati in zombie eterodiretti: “Il brevetto Pfizer concesso nel 2021 riguarda la comunicazione di torri cellulari con essere umani iniettati di grafene in tutto il mondo”.
La migliore risposta ai complottisti, l’ha data il Professor Burioni in un tweet. Poiché gli anestetici utilizzati dai dentisti contengono tanto grafene quanto i vaccini a mRNA, “chi non si è vaccinato, per non vanificare il sacrificio, non deve farsi somministrare alcun anestetico durante le procedure odontoiatriche”.
Ad essere precisi, negli anestetici il grafene presente sarebbe cinque volte quello contenuto nei vaccini. Ma forse anche il complottista no vax più incallito preferirebbe evitare di dover affrontare il dentista senza anestesia.
Casi di studio ed esempi concreti
Tra i casi di studio e gli esempi concreti di utilizzo del grafene spiccano lo studio sulla somministrazione del grafene per il trattamento del PTSD, alcuni progetti di ricerca finanziati dall’Unione Europea e le batterie al grafene. Altri progetti e studi riguardano i filtri per l’acqua, i materiali compositi, la somministrazione di farmaci, i sensori di glucosio, la pelle artificiale e i dispositivi medici impiantabili.
Gli scienziati della Sissa di Trieste hanno pubblicato uno studio che documenta la possibilità di utilizzare il grafene per bloccare l’attività transitoria delle sinapsi e inibire la comparsa di stati d’ansia patologici.
Il progetto “Graphene Flagship” è un esempio di come l’Unione Europea stia finanziando la ricerca su questo materiale per sviluppare nuove tecnologie mediche e biomediche. Si tratta di un’iniziativa di ricerca europea, focalizzata su biosensori per il monitoraggio in tempo reale della glicemia nei pazienti diabetici.
Aziende come Samsung e Huawei stanno invece sviluppando batterie al grafene che promettono tempi di ricarica più rapidi e una maggiore durata rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio.
La società italiana Directa Plus utilizza il grafene per creare tessuti e materiali compositi più leggeri e resistenti, utilizzati anche nell’industria automobilistica e aerospaziale.
I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno inoltre sviluppato nanoparticelle di grafene per il rilascio mirato di farmaci antitumorali, mostrando risultati promettenti nei test preclinici.
I ricercatori dell’Università di Bath hanno sviluppato sensori di glucosio basati su grafene che sono più sensibili e precisi rispetto ai sensori tradizionali. Lo studio potrebbe rivoluzionare il monitoraggio del glucosio per i diabetici, rendendolo meno invasivo e più affidabile.
Utilizzando il grafene, i ricercatori dell’Università di Glasgow hanno creato una pelle artificiale in grado di rilevare cambiamenti di temperatura e pressione. La tecnologia ha potenziali applicazioni in protesi avanzate, migliorando la qualità della vita dei pazienti con amputazioni.
Il grafene è stato infine utilizzato da vari ricercatori per rivestire elettrodi cerebrali, migliorando la conduttività e la biocompatibilità, riducendo l’infiammazione e aumentando la durata degli impianti, oltre a migliorare i risultati dei trattamenti per disturbi neurologici.
Le sfide e il futuro del grafene
Le sfide future riguardano la produzione su larga scala, l’integrazione nei dispositivi e la standardizzazione e la regolamentazione.
Sebbene esistano vari metodi per produrre grafene, la produzione su larga scala e a
basso costo rimane una sfida. Metodi come l’esfoliazione chimica, la deposizione
chimica da vapore (CVD) e la riduzione dell’ossido di grafene sono al centro degli studi più attuali.
L’integrazione del grafene nei dispositivi elettronici esistenti richiede anche lo sviluppo
di nuovi processi di fabbricazione e di nuovi design dei dispositivi.
Conclusioni
Il grafene è un materiale innovativo con un vasto potenziale per trasformare numerose industrie. Le sue proprietà aprono la strada a innovazioni nei settori dell’elettronica, dell’energia, dei materiali compositi e della biomedicina. Tuttavia, per esprimere pienamente questo potenziale, è necessario affrontare le sfide legate alla produzione, all’integrazione e alla standardizzazione del grafene.
La mancanza di standardizzazione nella produzione e caratterizzazione del grafene
può ostacolare il suo utilizzo commerciale. “Rimangono aperti problemi di costo elevato, scalabilità produttiva ed integrazione nei dispositivi”, conclude Massimo Guarnieri, che ricorda che a lavorarci sono “compagnie come Graphenano, Samsung, Huawei eccetera”.
La ricerca intanto continua. Le collaborazioni fra industria e accademia saranno cruciali per portare il grafene dai laboratori alla produzione su larga scala, fino all’adozione commerciale, ma sarà nel frattempo necessario anche definire standard e normative chiare.
Bibliografia
[1] “The rise of graphene”, Nature 6, 183 (2007).
[2] “Graphene: Status and Prospects”, Science 324, 1530 (2009).
[3] “Graphene: Exploring carbon flatland”, Physics Today 60, 35 (2007).
[4] “Mechanical and Electronic Properties of Graphene Nanostructures”, InTech (2011).
[5] “Graphene photonics and optoelectronics”, Nature Photonics 4, 611 (2010).
[6] “The rise of graphene”, Nature 6, 183 (2007).
