Scienza

Avanza la rivoluzione del grafene, materiale delle meraviglie

Che ne dite di una batteria per smartphone funziona per giorni con una sola carica? Presto questa ed altre applicazioni nel campo dell’e-power saranno disponibili sul mercato grazie al composto del carbonio

grafene

Nel grafene gli atomi di carbonio si dispongono orizzontalmente a formare una struttura sottile un milionesimo di millimetro. I cristalli di grafene hanno la flessibilità della plastica e la resistenza meccanica del diamante, dove invece gli atomi di carbonio sono ai vertici di tetraedri (piramidi con quattro facce triangolari). – Credits: Basf

Il futuro della tecnologia sarà nero e piatto. Non sono aggettivi per descrivere foriere previsioni di un cupo o funesto scenario del progresso scientifico, ma che al contrario sintetizzano bene due caratteristiche peculiari del grafene, l’innovativo materiale che tra qualche anno potrebbe diventare il protagonista assoluto di una nuova rivoluzione industriale.

Mentre lo sviluppo del 3D cresce in modo esponenziale, dalle stampanti al cinema, la scienza dei materiali guarda sempre più al mondo bidimensionale. Il grafene infatti si presenta come un foglio spesso appena un milionesimo di millimetro (siamo quindi nell’ambito delle nanotecnologie ) poiché consiste in un singolo strato di atomi di carbonio disposti ai vertici di tanti esagoni regolari che si susseguono in un reticolato planare e si ottiene sinteticamente dalla grafite, il nero della mina delle matite, cioè carbonio cristallizzato  in due dimensioni.

Ha tutte le proprietà che un progettista potrebbe desiderare: cento volte più resistente dell’acciaio, è però così sottile da essere quasi trasparente (assorbe solo il due per cento della luce visibile), perfetto quindi per realizzare pellicole ultrasottili e iperprotettive; inoltre è un eccellente conduttore di calore ed elettricità (qualità sfruttabili per migliorare l’efficienza dei componenti elettronici) e presenta straordinarie doti di elasticità e flessibilità (arrotolando fogli di grafene a mo’ di cannelloni si ottengono nanotubi in carbonio) unite a una leggerezza intrinseca di soli settanta milligrammi per metro quadro: l’ideale per materiali compositi per l’edilizia, per super plastiche, per schermi, display e touch screen curvi o ripiegabili.

Insomma, dall’elettronica alla medicina, dall’industria dei semiconduttori a quella delle costruzioni, sembra non ci sia settore dove il grafene non possa essere impiegato con successo. Eppure il boom, a livello di prodotti consumer, non è ancora arrivato, sebbene da oltre un decennio sia sbandierato come “il materiale delle meraviglie”, con il quale si può fare di tutto e di più. Vediamo di capire perché.

 “C’è stata un’esplosione nelle scienze accademiche dopo il premio Nobel assegnato nel 2010 ai due fisici che hanno realizzato il primo transistor con questo materiale nel 2004” spiega il professor Klaus Müllen, direttore del Max Planck Institute of Polymer Research di Mainz (Germania) e presidente della German Association for the Advancement of Science and Medicine, uno dei massimi esperti mondiali sul grafene.

“Tuttavia i costi per sintetizzarlo (attraverso l’esfoliazione della grafite o con processi di deposizione elettrochimica) sono ancora troppo elevati per renderlo appetibile per il mercato”.  Ma il tipico pragmatismo teutonico va oltre: “Non stiamo producendo solo scartoffie accademiche, tutti i nostri studi sono unicamente finalizzati a migliorare la disponibilità del grafene per impieghi esclusivamente pratici, abbiamo cioè creato un ponte tra la ricerca e la tecnologia industriale”.

L’importante è “capire che non è un materiale magico, come i media l’hanno troppo spesso acclamato”.  Prima che possa sostituire il silicio nella microelettronica, grazie alla capacità di dissipare meglio il calore e quindi condensare in aree sempre più piccole milioni di transistor (sfidando la legge di Moore), “saranno necessari ancora parecchi anni, forse più di una decina per avere una catena produttiva completa” dice a Panorama.it Carolin Kranz, della Basf , una tra le aziende leader nello sviluppo di nuovi materiali.

Il colosso tedesco però punta fortemente sul grafene e sulle nanotecnologie, tanto che l’anno scorso ha incrementato gli investimenti per la ricerca e sviluppo in questo settore passando da 1,7 miliardi di euro del 2012 a 1,8 miliardi. Nell medio periodo infatti i vantaggi della tecnologia basata sul grafene saranno fruibili in applicazioni per l’immagazzinamento di energia. Parliamo di super condensatori fatti da fogli stampabili (quindi a bassissimo costo) con performances eccezionali, di catalizzatori nelle celle a combustibile dove il grafene sostituirà il platino (prezzato attualmente fino a ottantamila dollari al chilo) e soprattutto di batterie agli ioni di litio, quelle dei tablet e dei dispositivi mobili per intenderci.

Qui la rivoluzione bussa già alle porte: avvolgendo con pellicole di grafene le particelle dei materiali che compongono gli elettrodi della pila, si aumenta la capacità delle batterie e nel contempo si riducono notevolmente le dimensioni. In pratica: durano di più e sono più leggere. “L’equazione è semplice” chiarisce Müllen: “grazie alle dimensioni nanometriche del grafene è possibile accumulare più energia in minor spazio”. Risultati: smartphone che funzionano per giorni con una sola carica, dispositivi elettronici miniaturizzati, batterie per auto elettriche di minor peso e ingombro a parità di prestazioni. “In questo campo l’attuale tecnologia delle pile al litio sarà presto soppiantata, con enormi vantaggi in termini di efficienza e durata” conclude Müllen.

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