“Vi racconto perché il grafene sarà il materiale del futuro e come rivoluzionerà il mondo”

Il grafene? Potrebbe essere il futuro, con applicazioni potenzialmente illimitate. Costituito da un solo strato di atomi di carbonio, non è solo il materiale più sottile conosciuto dall’uomo: è anche il più resistente. Il suo isolamento risale al 2004, ed è valso il premio Nobel per la Fisica 2010 ad Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov dell’Università di Manchester.

“Nonostante l’incredibile potenziale, il grafene non è facile da produrre. La sfida principale è l’upscaling: cercare di mantenere alta la qualità anche quando si producono grandi quantità”

Se ne è accorta presto anche la Commissione europea, che già nel 2013 ci ha piazzato un miliardo di euro. Ma qual è lo stato dell’arte? Ne abbiamo parlato con Vincenzo Giannini, direttore Metamaterials dell’Advanced Materials Research Center (AMRC) di Abu Dhabi. L’AMRC è un centro emergente di eccellenza globale nella scienza dei materiali, parte del Technology Innovation Institute (Tii) di Abu Dhabi, che sovrintende alla ricerca tecnologica avanzata nell’emirato.

Vincenzo Giannini, direttore Metamaterials dell’Advanced Materials Research Center (AMRC) di Abu Dhabi

Professor Giannini, quali sono le caratteristiche principali del grafene? Potrebbe descriverci le sue proprietà e perché è considerato un materiale così importante per le future applicazioni industriali?
Con lo spessore di un atomo, il grafene non è solo il materiale più sottile conosciuto dall’uomo – quasi completamente trasparente – ma anche, contemporaneamente, il composto più leggero e resistente mai scoperto: pesa circa 0,77 milligrammi ed è da 100 a 300 volte più resistente dell’acciaio, il che lo rende piuttosto notevole e versatile. Ma è anche un grandissimo conduttore di calore a temperatura ambiente e il miglior conduttore di elettricità, oltre ad avere la capacità di assorbire uniformemente la luce. Quando più strati di grafene sono impilati uno sopra l’altro, formano uno strato di grafite, materiale ben noto.

Che tipo di applicazioni può avere?
Quasi illimitate, grazie alle sue qualità eco-compatibili e sostenibili. A partire dall’isolamento, è impiegato in un’infinità di applicazioni, come i sensori chimici e magnetici ad alta frequenza. Ma può essere anche ottimizzato per scopi specifici, o utilizzato per scopi strutturali in materiali compositi. Non solo: può anche essere visto come sostituto o alternativa efficiente dal punto di vista energetico per materiali esistenti che sono, però, stati sovrautilizzati. Gli scienziati del settore stanno già sperimentando l’idea di sostituire il silicio nei transistor dei computer con il grafene, rendendoli più piccoli, veloci e vicini all’estremo assoluto della fisica. La cosa più eccitante di tutte è che il grafene potrebbe persino portarci oltre le nostre attuali capacità tecnologiche e aiutarci a creare tecnologie completamente nuove, attualmente inesistenti. Insomma, direi che le possibilità sono davvero infinite.

Quanti tipi di grafene esistono al momento in cui scriviamo?
Come accennavo in precedenza, il grafene nella forma tipica presenta lo spessore di un solo atomo. Tuttavia, ne esistono varie forme utilizzate per scopi specifici: il metodo della deposizione chimica da vapore (CVD) è il più comunemente utilizzato per creare grafene di alta qualità in grandi quantità; ci sono poi l’ossido di grafene (GO), usato in celle solari, elettronica, sensori per chimica e biologia; l’ossido di grafene ridotto (rGO), comunemente applicato in supercondensatori, elettronica stampabile al grafene, batterie e nell’industria biomedica; infine, le nanopiastre di grafene (GNPS), che possono essere utilizzate nella produzione di lubrificanti, inchiostri conduttivi e come componenti additivi nei compositi.  Il prossimo passo in avanti? Rendere ogni forma di grafene il più pura possibile.

“Quando più strati di grafene sono impilati uno sopra l’altro, formano uno strato di grafite, materiale ben noto”

Quali sono i principali problemi tecnici durante la produzione?
Nonostante l’incredibile potenziale, il grafene non è facile da produrre. La sfida principale è l’upscaling: cercare di mantenere alta la qualità anche quando si producono grandi quantità di grafene può essere estremamente difficile, perché qualsiasi difetto o anomalia sulla rete di carbonio monostrato potrebbe alterarne drasticamente la conduttività elettrica, termica, l’impermeabilità, la trasparenza e tutte le altre eccezionali proprietà.

Se ci consente, scendiamo un po’ più nello specifico dei potenziali impieghi. In che modo si può impiegare il grafene nelle batterie?
Una tecnica promettente è quella di incorporare nanoparticelle di silicio tra strati di grafene forati: alcuni ricercatori stanno già ottenendo risultati impressionanti. Del resto, la grafite è già oggi comunemente impiegata negli accumulatori di energia come componente delle batterie.

E per quanto riguarda il filtraggio dell’acqua?
Si tratta di un problema globale, perché la domanda di un mezzo di filtrazione altamente efficiente aumenta costantemente – e il grafene potrebbe essere la soluzione. Gli scienziati sono riusciti a creare una membrana perforata, o grafene bucato, per consentire di filtrare efficacemente l’acqua bloccando al contempo contaminanti e altre sostanze. Per questo tipo di impieghi, il grafene è più economico e più rispettoso dell’ambiente rispetto a molti altri materiali.

Si sente parlare anche dell’uso in medicina.
Il grafene e le sue varianti possono essere utilizzati nella somministrazione di farmaci molecolari, nelle terapie antitumorali e persino come agenti antimicrobici per gli impianti dentali. Per trattare il cancro, particelle di grafene chimicamente modificate vengono iniettate nel paziente per aderire alle cellule tumorali: questo processo consente alle radiazioni dei trattamenti di agire direttamente sulle cellule danneggiate senza influenzare il resto della fisiologia del paziente, riducendo così il numero di effetti collaterali. Una recente scoperta di un gruppo di ricerca dell’Università dell’Illinois  dimostra come il grafene possa distinguere tra cellule sane e cancerose, rendendolo un’opzione interessante per rilevare la patologia in modo non invasivo.  Il grafene e i suoi derivati possono anche essere combinati con diversi biomateriali utilizzati in odontoiatria e medicina rigenerativa e ricostruttiva: uno studio condotto dalla Chalmers University of Technology in Svezia ha progettato uno strato di schegge verticali utilizzando grafene che ha contribuito a formare una superficie protettiva negli impianti dentali. Ciò ha impedito ai batteri di attaccarsi a esso e, in definitiva, ha protetto il paziente dalle infezioni, eliminando la necessità di antibiotici e riducendo il rischio di rigetto del trattamento.

Quante di queste soluzioni sono già disponibili? E, in caso contrario, quanto tempo ci vorrà per vederle sul mercato?
Sebbene la ricerca sullo sviluppo del grafene sia in corso da un secolo, l’isolamento di un singolo strato di grafene dalla massa di grafite utilizzando il metodo noto come scissione meccanica è possibile solo da un decennio. Da allora le scoperte si sono succedute a ritmo accelerato, ma abbiamo ancora molta strada da percorrere per soddisfare i criteri per una produzione industriale realmente ottimale. Per capirci, il mercato del grafene è ancora in una fase di relativa infanzia e bisogna arrivare a costi ragionevoli per sintesi, lavorazione e conservazione. Fortunatamente i prezzi stanno scendendo man mano che applicazioni e disponibilità diventano più diffuse. C’è, però, un altro problema: come ogni nuovo materiale da commercializzare, il grafene deve prima essere compatibile con la tecnologia esistente, e questo è un punto di critico per molte industrie affermate. Le grandi aziende sono caute nell’investire in nuovi materiali che potrebbero potenzialmente comportare un alto rischio di fallimento: a causa di queste battute d’arresto, un’eventuale commercializzazione di successo, per così dire, del grafene dipenderà enormemente dal supporto e dagli sforzi delle piccole società e delle comunità scientifiche che dovranno essere in grado di  mostrare prodotti convincenti e scalabili. 

“Come ogni nuovo materiale da commercializzare, il grafene deve prima essere compatibile con la tecnologia esistente, e questo è un punto di critico”

Quali sono i paesi più avanzati nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni basate sul grafene?
Davanti a tutti ci sono gli Stati Uniti. La regione dell’Asia-Pacifico è attualmente il più grande mercato del grafene, con la Cina che primeggia per l’elevato volume di utilizzo, in particolare nei settori elettrico, elettronico, energetico e medico. Il grafene viene anche utilizzato nei telai della carrozzeria di aerei leggeri e automobili, in particolare in Cina e India. Giappone e la Corea del Sud sono considerati promettenti all’avanguardia in questo campo. Anche gli Emirati Arabi Uniti stanno cercando di sfruttare le notevoli proprietà del grafene grazie a una recente partnership tra Abu Dhabi e gli scienziati dell’Università di Manchester (Graphene@Manchester, ndr): insieme, entrambe le entità mirano ad accelerare la commercializzazione del grafene e delle sue applicazioni. Si tratta di una straordinaria opportunità per il Paese di dimostrare il proprio impegno per ottenere soluzioni sostenibili e di impatto, in grado di migliorare la qualità della vita della popolazione. 

Concludiamo con le startup: quali sono le più promettenti nel settore del grafene?
Ci sono diverse startup che stanno facendo un lavoro di ricerca eccezionale sul grafene. Anche se è difficile citarle tutte, ce ne sono alcune che conosco e ritengo estremamente promettenti. In primo luogo, la statunitense Thermavance, che produce un modulo termoelettrico a base di grafene capace di regolare il flusso di calore. Questa tecnologia sfrutta l’elevata conduttività termica del grafene per creare soluzioni leggere e flessibili per applicazioni sia interne che esterne come indumenti e mobili. In secondo luogo, la società spagnola Graphtech si concentra sulla produzione su larga scala di nanopiastre di grafene per varie applicazioni come quelle aerospaziali, elettroniche, automobilistiche e farmaceutiche. Il processo di produzione brevettato consente soluzioni personalizzate ed economiche che sono adattabili alle specifiche esigenze di settore. Infine, la startup norvegese Crayonano è un produttore di LED UV specializzato in disinfezione dell’acqua, purificazione dell’aria, lavorazione degli alimenti e applicazioni delle scienze della vita. L’azienda utilizza un metodo di coltivazione di nanofili su un substrato di grafene che non solo crea un LED UV con maggiore efficienza a un costo di produzione inferiore, ma anche con una maggiore durata operativa e una maggiore quantità di luce generata.