Grafene: cos’è e a cosa serve?

Grafene: cos’è e da dove viene

Il carattere rivoluzionario del grafene risiede principalmente nella sua bidimensionalità. Fisicamente, è uno strato di singoli atomi di carbonio disposti in uno schema esagonale che è visivamente simile a un nido d’ape. Il grafene è quindi un allotropo del carbonio. Negli anni ’40, Phillip Russel Wallace sviluppò il concetto teorico di creare una struttura di carbonio a un atomo. Tuttavia, questa idea è stata rifiutata dalla maggior parte degli scienziati per molti anni. Solo sei decenni dopo è stato possibile trasformarlo in un materiale reale e tangibile. Il duo di Gejm e Nowosiolow dell’Università di Manchester è riuscito a isolare il grafene da un pezzo di grafite trasferendo atomi di carbonio su uno strato di biossido di silicio (SO ₂ ) usando un nastro adesivo. La silice ha svolto un ruolo importante in questo processo, isolando uno strato di grafene con una carica elettrica neutra. Questo metodo è attualmente utilizzato solo su piccola scala per scopi di ricerca.

Proprietà insolite del grafene

Di cosa si tratta questo strato ultrasottile di atomi di carbonio che ha affascinato il mondo scientifico? Il grafene ha dimostrato di essere un ottimo conduttore di calore ed elettricità. È inoltre caratterizzato da una bassa resistenza attiva. A questo proposito, è un concorrente per rame e silicio. A temperatura ambiente, gli elettroni del grafene mostrano una mobilità senza precedenti in altri materiali. La loro alta velocità che raggiunge 1/300 della velocità della luce apre interessanti possibilità di utilizzo nella diagnostica. Il grafene è anche quasi trasparente: assorbe il 2,3 %della luce bianca. Pertanto, il suo eccezionale potenziale elettrico va di pari passo con quello ottico. Nonostante la sua struttura estremamente sottile, il grafene è fino a 100 volte più resistente dell’acciaio. Allo stesso tempo, mantiene un elevato livello di flessibilità (fino al 20 %di estensibilità in lunghezza o larghezza). Una membrana di grafene ossidato è completamente impermeabile ai gas, ma permeabile all’acqua, quindi può essere utilizzata per la filtrazione. Notevoli anche le proprietà antimicrobiche del materiale.

Prospettico grafene: applicazioni in vari settori

Le proprietà elettroniche, ottiche, termiche e meccaniche del grafene hanno aperto le porte alle sue numerose applicazioni commerciali pratiche che, secondo gli esperti, si svilupperanno dinamicamente nei prossimi decenni. Già oggi il grafene è considerato il successore del silicio nell’area elettronica. Questo conduttore trasparente e flessibile può essere utilizzato per produrre celle fotovoltaiche, display arrotolabili e touch panel, nonché luci a LED. Inoltre aumenta significativamente la frequenza dei segnali elettromagnetici, consentendo la produzione di transistor più veloci. Anche i sensori di grafene stanno suscitando notevole interesse. Grazie all’eccezionale sensibilità, possono rilevare singole molecole di sostanze pericolose, facilitando così il monitoraggio dell’ambiente. L’ossido di grafene distribuito nell’aria ha anche la capacità di rimuovere i contaminanti radioattivi. La prospettiva di sviluppare nuovi prodotti con il grafene aumenta ogni anno Le applicazioni esistenti con il maggiore potenziale includono:

• moderne reti elettriche;
• sorgenti luminose ad alta efficienza energetica;
• semiconduttori utilizzati nei dispositivi spintronici;
• rivestimenti anticorrosivi più efficaci;
• filtrazione dell’acqua per depurazione e dissalazione;
• sistemi di comunicazione optoelettronici.

Inoltre, ci sono speculazioni sull’uso potenziale del grafene per la produzione di componenti strutturali più leggeri e durevoli per automobili, aerei, navi e dispositivi. In combinazione con materiali artificiali (ad es. gomma), potrebbe essere utilizzato per creare, ad esempio, gomma termicamente conduttiva. A base di grafene, è già stata sviluppata una carta estremamente resistente in grado di condurre elettricità.

Grafene biocompatibile – applicazioni mediche

Degna di nota è anche la possibilità di utilizzare il grafene nel campo della biomedicina, sia in ambito diagnostico che terapeutico. Come vettore di medicinali, l’ossido di grafene è caratterizzato da un’elevata biocompatibilità e un’eccellente solubilità. Ciò consente un dosaggio preciso di agenti antinfiammatori e antitumorali, nonché di enzimi e sostanze minerali. Poiché il grafene è un perfetto conduttore di calore, viene utilizzato anche per distruggere i tumori cancerosi. Il fenomeno della termolesione consente di utilizzare il calore da esso accumulato per ridurre il dolore ai tessuti. Sono già in corso i lavori per la produzione di accessori e abbigliamento medicali riscaldati. I fogli di grafene vengono utilizzati anche come biosensori e possono aiutare a diagnosticare il cancro e le malattie neurologiche (ad es. epilessia o morbo di Parkinson) con dispositivi portatili. La sonda al grafene sviluppata dai polacchi dovrebbe rivoluzionare i test ECG consentendo misurazioni dal livello del cuore. Le proprietà antibatteriche del grafene offrono anche l’opportunità di risolvere la crisi legata alla crescente insensibilità dei batteri agli antibiotici. Il grafene può essere utilizzato come base per lo sviluppo di agenti destinati al controllo delle infezioni topiche e alla disinfezione delle ferite. La possibilità di utilizzare il grafene nell’ingegneria dei tessuti sembra molto promettente. La resistenza meccanica dell’innovativo ponteggio in carbonio è estremamente elevata. Gli studi dimostrano che accelera la differenziazione delle cellule staminali e promuove un recupero più rapido.

Produzione di grafene

Dal 2014, il grafene è stato prodotto su scala più ampia per scopi commerciali. Nuove tecniche micromeccaniche hanno consentito una significativa riduzione del prezzo del materiale. Attualmente, i suoi principali produttori sono gli Stati Uniti e la Cina, dove si possono trovare quantità significative di grafite amorfa a buon mercato. Desiderato nell’area dell’elettronica, il grafene premium deve essere prodotto da grafite di qualità sufficiente e ciò richiede cristalli piatti e ordinati acquisiti con una lavorazione speciale. Il prezzo del materiale è quindi corrispondentemente più alto. I ricercatori coreani sono riusciti a sviluppare un modo efficiente ed economico per produrre grafene mediante deposizione chimica da vapore (CVD). Lo svantaggio di questa soluzione è una minore qualità del materiale e una maggiore frequenza di difetti. Tuttavia, in alcune applicazioni, ciò non costituisce un problema. I polacchi hanno anche contribuito allo sviluppo di metodi innovativi di produzione di grafene. L’Istituto di tecnologia dei materiali elettronici di Varsavia detiene un brevetto per la produzione del materiale dal carburo di silicio. Nel 2015, i ricercatori dell’Università di Lodz, in Polonia, hanno sviluppato una rivoluzionaria tecnologia HGSM che consente la produzione di fogli di grande formato di alta qualità dalla fase liquida.

Il grafene è sicuro?

Essendo un materiale relativamente nuovo, il grafene solleva comprensibili dubbi nel contesto dei possibili effetti sulla salute umana. Si dice anche che la struttura sottile e leggera del grafene penetri facilmente nei polmoni, rappresentando una minaccia paragonabile alla polvere o persino alle fibre di amianto. Studi cinesi suggeriscono addirittura che le nanoparticelle di carbonio bidimensionale possono depositarsi negli organi interni. Esiste anche il rischio teorico che il grafene, entrando nelle acque superficiali e sotterranee, possa essere dannoso per piante e animali. Le particelle fini possono depositarsi sui bordi dei corpi idrici e aumentare i livelli di durezza dell’acqua. Tuttavia, secondo le attuali conoscenze, il grafene non è tossico e non ha affinità per le sostanze pericolose. Anche le sue quantità, e quindi la potenziale esposizione, sono estremamente basse o addirittura trascurabili. A contatto con la pelle non presenta proprietà irritanti. Inoltre, studi internazionali dimostrano che l’inalazione non provoca reazioni immunologiche avverse. C’è un consenso generale nella comunità scientifica sulla necessità di ulteriori ricerche sulle proprietà e le applicazioni del grafene, inclusa la sua sicurezza. Ciò consentirà di ottimizzare i metodi di utilizzo del materiale innovativo in vista degli effetti a lungo termine sull’uomo e sull’ambiente.