domenica 21 aprile 2019
Smart in the City

Grafene: in punta di matita

di Antonella Cicalò

5 Apr 2014

Il grafene è stato definito “il materiale delle meraviglie” ed è stato scelto dall’Unione europea come la tecnologia strategica dei prossimi dieci anni. E l’Italia c’è

 

La mina, il sottile cilindretto che si trova all’interno delle semplici matite, è fatta di grafite, un materiale piuttosto comune a base di carbonio. Si estrae da giacimenti, prevalentemente in Madagascar. Niente di eclatante, eppure proprio la grafite potrebbe a breve sostituire il silicio in applicazioni e settori determinanti come l’informatica.

Basta guardare come funziona la nostra matita: la si appoggia su un foglio di carta e si fa scorrere. Il risultato è una traccia quasi nera. Grafite sottilissima trasferita sul foglio. Da un’osservazione così nascerà una delle più grandi rivoluzioni della nanoricerca, il grafene: l’elemento che sta alla base di tutti i materiali grafitici. Si presenta come un singolo foglio di atomi di carbonio, contenuti in una configurazione bidimensionale a nido d’ape. Per anni il grafene è rimasto un sogno nel cassetto degli scienziati (il singolo foglio si trova impacchettato nella grafite insieme a miliardi di altri fogli identici; come isolarlo e poi manipolarlo dato che il suo spessore è quello di un atomo?).

La struttura della molecola del grafene con le caratteristiche celle esagonali

La struttura della molecola del grafene con le caratteristiche celle esagonali

Si arriva così al 2004, quando un gruppo di ricercatori inglesi, coordinati dai fisici russi Andre Geim e Kostya Novoselov, trovano la soluzione che apre nuove clamorose prospettive alla ricerca di base e alle possibili applicazioni con un espediente incredibilmente semplice grazie al nastro adesivo trasparente, normalmente in commercio.

Si prende un frammento di grafite, ci si attacca sopra un pezzo del nastro e si tira via con decisione. Sullo scotch rimangono residui di grafite; si preme allora il nastro adesivo su un substrato (di solito il biossido di silicio), si rimuove il nastro che poi si butta via e si mette il substrato sotto il microscopio ottico. A questo punto sul substrato si individuano regioni di dimensione di alcune decine di micron (un micron è un milionesimo di metro) che  appaiono di un colore caratteristico. Ecco i fogli purissimi e sottilissimi di grafene. Dal 2010, anno in cui  Geim e Novoselov hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica, questo eccezionale nanomateriale è passato ai vertici della ricerca mondiale.

Proprietà fantastiche

Le proprietà specifiche del grafene sono

– l’incredibile area superficiale, circa 2500 m2 per grammo, che facilita qualsiasi processo chimico;

– la resistenza meccanica, circa 50 volte superiore a quella dell’acciaio;

– la conducibilità termica, più del doppio di quella del diamante;

– la densità, pari alla metà di quella dell’alluminio;

– l’elasticità, pari a 6 volte quella dell’acciaio.

Conducibilità elettrica, trasparenza, leggerezza, flessibilità e resistenza sono ulteriori proprietà che rendono questo materiale unico, tanto che è stato scelto dall’Ue come la tecnologia più strategica dei prossimi  dieci anni.

La Commissione europea ha dunque selezionato il grafene come uno degli Eu Fet Flagships  (Future & Emerging Technologies) e ha allocato 1 miliardo di euro con l’obiettivo di portare questo nanomateriale di nuova generazione, dal modo accademico alla vita di tutti i giorni, rivoluzionando il settore industriale e creando il vessillo di nuove opportunità lavorative in Europa.

Grazie alla combinazione delle sue straordinarie proprietà chimico-fisiche infatti, il grafene è potenzialmente in grado di dare vita a nuove tecnologie in una vasta gamma d’applicazioni. Le applicazioni future dei materiali a base di grafene sono attualmente oggetto di studio sia da parte del modo accademico che di quello industriale.

Ciò nonostante, la maggior parte di queste ricerche sono condotte a livello di laboratorio e non sono  ingegnerizzabili a causa dell’impossibilità di conciliare la produzione di grandi quantitativi di materiali a base di grafene con la qualità degli stessi. Inoltre i processi produttivi attualmente esistenti sono molto costosi e non integrabili ai processi industriali esistenti.

Una matita tricolore

Ma proprio in Italia, a Lomazzo (Como), una startup nazionale ha sorpassato queste problematiche sviluppando e brevettando un processo economico, semplice e scalabile (processo G+) in grado di produrre differenti tipologie di nanomateriali a base grafene.

Si chiama Directa Plus e con uno staff di giovani ricercatori ha dato il via a processi produttivi che possono essere ingegnerizzati allo scopo di ottenere prodotti specifici destinati a diverse applicazioni di mercato.

Il grafene è una tecnologia definita “abilitante” che può essere inserita in una moltitudine di settori applicativi. Ciò significa che sia come materiale a sé stante, sia in combinazione con altri prodotti/tecnologie già esistenti offre agli utilizzatori finali di uno specifico prodotto incremento di performance e proprietà specifiche a prezzi economicamente sostenibili.

I nanomateriali a base di grafene prodotti attraverso il processo G+ sono stati testati su un primo gruppo di applicazioni, che includono le gomme per auto e per biciclette, tessuti e siliconi. L’inserimento del grafene negli pneumatici delle biciclette è stato oggetto della segnalazione al Premio all’Innovazione Sostenibile di Legambiente 2013 per le performance dirette a migliorare la mobilità sostenibile.

Una grande gamma di possibilità

È in fase di test l’utilizzo di prodotti G+ come additivi nei polimeri conduttivi, come base per le nuove fibre di carbonio, come antifiamma in diverse matrici, come base per inchiostri conduttivi, nel tessile, per materiali filtranti e assorbenti per il trattamento di depurazione delle acque e dell’aria dagli inquinanti organici e inorganici.

Si tratta di ricerche concrete di fattibilità. Spesso infatti il grafene viene declinato in tutta una serie di applicazioni che non hanno nessuna possibilità di superare il primo stadio di prototipazione. È invece importante comprenderne le applicazioni pratiche, anche in relazione a salute e protezione ambientale.

Il principio di precauzione, un grande valore aggiunto alla ricerca di Directa

Il grafene può rivelarsi una grande risorsa per l’ambiente, specie per quanto riguarda la depurazione delle acque dove ha dimostrato grandi potenzialità. È importante però, come per tutte le nanotecnologie, valutarne correttamente i possibili rischi derivanti dall’esposizione delle persone o dell’ambiente stesso. Gli effetti del grafene e delle nanoparticelle sulla salute umana e sull’ambiente non sono infatti ancora del tutto conosciuti, e ciò che non è noto può essere pericoloso. In questo caso la startup italiana adotta da sempre un approccio ispirato al principio di precauzione, volto a minimizzare l’esposizione ai nanomateriali prodotti e a ridurre l’impatto.

Durante l’intero processo produttivo G+ vengono dunque adottate severe procedure  di sicurezza allo scopo di evitare eventuali fattori di rischio messe a punto in collaborazione con l’Università dell’Insubria. L’obiettivo è annullare i rischi per l’ambiente e le persone, partendo dalla selezione delle materie prime e durante tutto il processo produttivo fino all’applicazione concreta.

L’approccio nell’ambito della sicurezza e della salute nel contesto aziendale comprende l’adozione di misure proattive che abbiano lo scopo di minimizzare l’esposizione alle nanoparticelle per le quali il rischio d’esposizione non può essere predefinito.

L’adozione di procedure operative standard avviene secondo quanto previsto dalle linee guida Harns (High Aspect Ratio) pubblicate dall’UK Health and Safety Executive (marzo 2013) e con la collaborazione nel progetto “The MULAN program” (Multilevel Approach to the Study of Nanomaterials Health and Safety) dell’Università di Milano. I risultati di questo studio permetteranno di determinare se gli attuali limiti di esposizione professionale offrono sufficiente protezione quando applicati nel contesto di produzione o manipolazione di nanomateriali di grafene. Non dimentichiamo che i processi industriali interagiscono con molteplici settori cui magari non pensiamo: per esempio l’alimentazione di uomini e animali.

Il cibo, sorvegliato speciale negli Usa

Negli ultimi anni, l’uso di nanomateriali per il trattamento delle acque, imballaggi alimentari, pesticidi, cosmetici e in altri processi industriali è aumentato. Ad esempio, gli agricoltori usano nanoparticelle d’argento come pesticidi. In un nuovo studio, i ricercatori dell’Università del Missouri College of Agriculture, Food, and Natural Resources, descrivono un metodo per rilevare nanoparticelle d’argento in prodotti freschi e in altri prodotti alimentari. Più di 1.000 prodotti sul mercato sono basati sulle nanotecnologie e questo è un problema perché non conosciamo la tossicità delle nanoparticelle. L’obiettivo degli scienziati americani è quello di rilevare, identificare e quantificarle nei prodotti alimentari e negli alimenti e studiare la loro tossicità al più presto possibile.

Per studiare il residuo e la penetrazione delle nanoparticelle d’argento sulle pere gli scienziati hanno immerso i frutti in una soluzione di nanoparticelle d’argento, simile all’applicazione dei pesticidi. Le pere sono state poi lavate e risciacquate ripetutamente. I risultati hanno mostrato che quattro giorni dopo il trattamento e il risciacquo, le nanoparticelle d’argento erano ancora attaccate alla buccia, e le particelle più piccole sono state in grado di penetrare la pelle e raggiungere la polpa.

Le nanoparticelle d’argento hanno la capacità di trasferirsi nel corpo umano dopo la digestione. Una volta ingerite infatti passano nel sangue e raggiungono organi sensibili sensibili come la milza, cervello, fegato e cuore. Impiegate anche in materie come plastiche, carta, vernici, tessuti, trattamento delle acque, ma anche in prodotti per la cura della persona come i dentifrici, queste particelle possono rappresentare un’opportunità eccezionale o un fattore di rischio. Per questo, senza pregiudizi, è necessario continuare a studiarle.

In Germania da tempo L’Agenzia per la Sicurezza Tedesca (Bfr) invita le aziende a non utilizzare ioni di argento di dimensioni nanometriche nei beni di consumo mentre in Italia sono in corso studi per testarne la tossicità sulle api.

Per il grafene vale la stessa regola sperando che i vantaggi annunciati superino tutte le eventuali controindicazioni.

 

 

 

 

 

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