Grafene: la nuova era dei materiali

Le celle solari costruite con grafene hanno rendimenti strepitosi, fino al doppio di quelle tradizionali. Ma il grafene è di più: è la chiave di una nuova rivoluzione industriale. Ecco per che cosa lo usiamo e per cosa lo useremo.

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Un blocco di aerogel di grafene appoggiato sui pistilli di un fiore. Questa applicazione del grafene, sviluppata alla Zhejiang University (Cina), pesa 0,16 milligrammi per centimetro cubo (16 grammi al metro cubo). È concettualmente paragonabile a una spugna: può essere usato come isolante termico, oppure per ripulire aree inquinate da versamenti di petrolio. Può assorbire olii fino a 900 volte il suo peso, essere "strizzato" per ripulirlo e di nuovo buttato in acqua per assorbire altro petrolio.|Zhejiang University

Nel corso di un recente esperimento condotto all'École Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) i ricercatori sono riusciti a ottenere un livello di conversione di energia solare in energia elettrica del 32-60% superiore a quello medio di laboratorio, che è circa il 32% dell'irraggiamento medio, valore che già di per sé è di un pezzo superiore al rendimento delle migliori celle solari commerciali (20%, contro il 13% circa di quelle meno efficienti). È un grande risultato: di fatto un importante passo in avanti che, trasferito ai processi industriali, nel tempo si tradurrà in pannelli fotovoltaici più interessanti dal punto di vista dell'efficienza. Ed è un risultato reso possibile dal grafene: l'intera ricerca è pubblicata su Nano Letters.

 

Il grafene è una struttura straordinariamente semplice e ordinata, incredibilmente resistente, e ogni giorno si scoprono nuove proprietà e applicazioni per questo materiale. | V. Palermo/ISOF Institute, Bologna

In estrema sintesi, grazie al grafene succede che ogni singolo fotone eccita due elettroni, dando il via a un effetto a cascata che consente di convertire luce in elettricità con una resa finalmente interessante. Come ha poi commentato Marco Grioni, co-autore della ricerca, se finora il grafene veniva considerato un materiale non particolarmente efficace nell'assorbimento della luce, oggi scopriamo che invece lo è, aggiungendo anche questa caratteristica alle molte che già possiede.

 

 

Nato per caso. Nel 2004 Andre Geim e Konstantin Novoselov, ricercatori all'Università di Manchester, stanno conducendo una serie di esperimenti su un cristallo di grafite (il minerale usato per le matite) quando riescono, grazie a del comune nastro adesivo, a isolare meccanicamente una foglia di grafene. È il materiale più sottile al mondo, costituito da un solo, singolo strato regolare e stabile di atomi di carbonio, e perciò convenzionalmente considerato bidimensionale: per ottenere un reticolo di grafene dello spessore di un millimetro sono necessari tre milioni di fogli. E tuttavia un singolo foglio è cento volte più resistente dell'acciaio (pari al diamante) e sei volte più elastico. Inoltre è uno straordinario conduttore elettrico e termico. I due fisici ottengono così il premio Nobel nel 2010.

 

 

Infografica: nanotecnologia, confronto di misure
La scala delle cose: clicca sull'immagine per ingrandirla. | Rice University, Houston; traduzione e adattamento: I.Z.

Il nuovo oro. Il microfilm a base di grafite, che può anche essere trasparente, viene definito il materiale delle meraviglie o, in alternativa, la plastica del futuro. È probabilmente la chiave della prossima era industriale, utile per una quantità di applicazioni.

 

Sono in tanti a crederci: il primo ottobre 2013 la Commissione Europea ha emesso un bando che stanzia ben 1 miliardo di euro in 10 anni per finanziare la ricerca e riportare l'Europa all'avanguardia nella scienza dei materiali: l'Università di Göteborg (Svazia) guida un gruppo di enti pubblici e privati (di 23 paesi diversi) nella gara ai brevetti sul grafene. Una cordata ben attrezzata per affrontare la concorrenza di colossi come Intel, Ibm, Samsung - già depositaria, quest'ultima, di centinaia di brevetti e di una visione ben precisa dei gadget del futuro, come dimostra il video qui sotto (in inglese).

 

 

Che cosa facciamo con il grafene? Diamo ancora un po' di tempo alla ricerca e all'industria, e poi... quasi tutto quello che può passarvi per la testa di fare: celle solari super efficienti, lo abbiamo raccontato all'inizio di questa pagina. Potreste volere un giubbotto antiproiettile? O forse sono da preferire automobili più leggere, grazie a impianti elettrici in filo di grafene - che pesa una frazione del rame e della fibra ottica, oppure ruote da bicicletta che girano meglio sull'asfalto, vernici impermeabili e antiruggine, altoparlanti flessibili come fogli di carta...

 

Pubblicità di una nota marca di racchette da tennis: l'uso del grafene per il telaio ha permesso di ottenere racchette molto più leggere e resistenti, ma soprattutto di regolare con estrema precisione la distribuzione dei pesi, che dal centro della racchetta (shaft, P1) viene equamente distribuito tra la punta (tip, P3) e il manico (handle area, P2).

Le proprietà quantistiche del grafene ne fanno un elemento cardine per la ricerca, mentre la facile riproducibilità a livello industriale lo rende un elemento buono e relativamente economico per un'ampia gamma di applicazioni e servizi, dallo smaltimento dei rifiuti tossici alla costruzione di muscoli artificiali, mentre nell'hi-tech si può pensare a fotocamere ad altissima risoluzione, a connessioni internet a banda super-larga, a mini pc con potenze dell'ordine dei TeraByte e ai tanto decantati wereable (l'hi-tech indossabile).

 

 

Frullato casalingo. A testimonianza dello straordinario interesse per questa invenzione del nostro secolo, il grafene si è guadagnato un posto di rilievo in una puntata ad hoc del serial televisivo Big Bang Theory (The Einstein Approximation). E ha fatto notizia il frullato di grafene: al Trinity College di Dublino un gruppo di ricerca è riuscito a produrre fogli di grafene mescolando ad alta velocità grafite, acqua e sapone in un comune frullatore da cucina. È proprio questo genere di riproducibilità che, declinato a livello industriale, potrebbe spalancare le porte a celle solari efficienti e alle altre meraviglie a cui abbiamo accennato.

02 Aprile 2015 | Martino De Mori