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L'INNOVAZIONE DEL GRAFENE PLUS

PROGETTO ATANOR - RAPPORTO FINALE

Categoria // Documenti, Progetto Atanor

Un progetto di ricerca industriale e sviluppo sperimentale (R&S) nei settori strategici di Regione Lombardia. Cinque gli aspetti fondamentali.

progetto atanor regione lombardia
nanotecnologie

1.INTRODUZIONE

Studi scientifici sempre più numerosi dimostrano che le nanotecnologie avranno un impatto travolgente sulla maggior parte dei settori industriali. Le prospettive rivoluzionarie associate a tale innovazione sono legate al fatto che, a dimensioni nanometriche, i comportamenti e le caratteristiche della materia cambiano radicalmente. Questi aspetti influenzeranno in modo decisivo la produzione dei materiali, consentendo di realizzare strutture e dispositivi con proprietà e funzionalità grandemente migliorate o del tutto nuove. I processi di produzione innovativi, tuttavia, comportano costi di investimento e di gestione degli impianti spesso superiori rispetto a quelli tradizionali. Per riuscire quindi a sviluppare processi in grado di produrre nanoparticelle a basso costo industriale, in modo da poter competere e penetrare direttamente nel mercato, Regione Lombardia e il Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR) hanno aperto un bando per finanziare “Progetti di ricerca industriale e sviluppo sperimentale nei settori strategici” che puntassero in tale direzione. In questo contesto, a ottobre 2011è stato selezionato e approvato il progetto Atanor (in ebraico “bracere”, termine alchemico riferito a un fornello a fuoco continuo nel mezzo del quale, si narra, andava riposta la materia che avrebbe generato la pietra filosofale, ermeticamente chiusa in un recipiente a forma di uovo), classificatosi al primo posto nel settore dei materiali avanzati. Il progetto della durata di 24 mesi, ora giunto alla sua conclusione, è stato presentato da quattro realtà:

Directa Plus SpA, start up basata a Lomazzo, fondata all’inizio del 2005, che sviluppa e commercializza processi innovativi per la produzione di nanomateriali;

Vittoria SpA, azienda di Madone, fondata nel 1953, leader mondiale nella produzione di gomme e tubolari per biciclette;

Goldmann&Partners Srl, società di progetti e servizi per la sostenibilità applicata, che opera nel campo della progettazione architettonica, della valorizzazione immobiliare, della consulenza aziendale e della comunicazione;

Istituto per lo Studio delle Macromolecole ISMAC-CNR,  una delle maggiori istituzioni scientifiche nel campo della chimica, fisica e tecnologia delle macromolecole in Italia.

Protagonista indiscusso del progetto è il grafene, un nanomateriale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, organizzati in un reticolo esagonale a nido d’ape. Conosciuto a livello teorico da oltre 60 anni, è stato identificato sperimentalmente solo nel 2004 dai ricercatori Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester che per i loro pionieristici studi in questo ambito vinsero il Premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene, ottenuto a partire dalla comune grafite, grazie alla sua particolare simmetria e alla sua bidimensionalità presenta proprietà chimiche e fisiche straordinarie:

Alta area superficiale - con piccole quantità di grafene si dispone di una superficie attiva enorme;

Estrema leggerezza - 1 mq pesa solo 0,77 mg;

Alta conducibilità elettrica - gli elettroni nel grafene si muovono quasi come se non avessero massa, a circa 1/300 della velocità della luce; questo ne determina l’alta mobilità e comporta una conducibilità elettrica superiore a quella dell’argento a temperatura ambiente;

Alta conducibilità termica - il modo in cui possono vibrare gli atomi di carbonio nel grafene permette al materiale di condurre il calore meglio dei nanotubi di carbonio o del diamante;

Estreme proprietà meccaniche - il grafene è il materiale più resistente al mondo con un carico di rottura 50 volte superiore a quello dell’acciaio;

Trasparenza;

Elasticità - sei volte superiore a quella dell’acciaio;

Effetto barriera - grazie alla particolare morfologia a fogli sovrapposti, il grafene conferisce alla matrice che lo ospita proprietà di impermeabilità a gas e liquidi.

La prestigiosa rivista Nature ha affermato che tale materiale segnerà la storia della tecnologia tanto da far parlare di un’Era del Grafene, paragonabile per portata rivoluzionaria a quella del Bronzo e del Ferro.  Anche la Comunità europea ha deciso di scommettere su questa scoperta e ha lanciato, a gennaio 2013, il progetto Flagship Graphene, uno dei più ambiziosi mai realizzati, che si propone - grazie a un finanziamento di un miliardo di euro per 10 anni di ricerche - di sviluppare appieno tutte le potenzialità relative al fenomeno. Le particelle di grafene possono infatti essere ingegnerizzate in strutture nanometriche aventi differenti proprietà e, di conseguenza, differenti applicazioni industriali.

All’origine del progetto Atanor ci sono gli studi realizzati da Directa Plus su tali particelle che, in funzione delle dimensioni laterali, del grado di esfoliazione e di purezza, possono trovare applicazione in svariati campi: dall'elettronica alle batterie, dal trattamento per la depurazione delle acque ai tessuti, fino a nuovi materiali compositi.

Proprio in quest’ultimo settore si è focalizzato il lavoro del progetto Atanor, che si è posto l’obiettivo specifico di sviluppare una tecnologia e un processo produttivo industrialmente sostenibile per ottenere un additivo in grado di sostituire totalmente o parzialmente il generico e più inquinante carbon black nella realizzazione degli pneumatici per biciclette. Pneumatici di nuova generazione: più leggeri, con minore resistenza al rotolamento e consumi ridotti, migliore performance dal punto di vista della sicurezza e della tutela ambientale.

 

2. IL RUOLO DEI PROTAGONISTI DEL PROGETTO

Fin dalla definizione del progetto Atanor, è emersa la volontà di tutti i partner di effettuare da un lato un notevole passo avanti nello sviluppo di tecnologie produttive legate all'adozione di materiali avanzati e dall'altro di realizzare prodotti (gli pneumatici) più performanti, grazie alle superiori proprietà meccaniche e di conduzione sia termica, sia elettrica del grafene rispetto alle forme "disordinate" del carbonio che costituiscono l'usuale carbon black.  Ciascun partner ha quindi messo a disposizione la sua esperienza e il suo know-how. In particolare:

Directa Plus

Directa Plus ha messo a disposizione dei partner del progetto le proprie tecnologie al fine di trovare un'applicazione industriale del grafene in grado di avere importanti ricadute sulla tecnologia d'uso quotidiano, minimizzando l'impatto energetico e ambientale e consentendone la produzione a costi competitivi con quelli necessari per realizzare i materiali attualmente impiegati nelle mescole degli pneumatici. Obiettivo: rendere possibile l’uso di questa tecnologia anche in un mercato che necessita di bassi costi e grandi volumi.

Vittoria Spa

Ruolo di Vittoria Spa è stato quello di fungere da anello di giunzione tra la tecnologia in sé e i suoi aspetti applicativi, quindi la creazione reale del prodotto finale, lo “pneumatico da bicicletta”, e la sua relativa commercializzazione e diffusione nel settore di appartenenza.

ISMAC-CNR

ISMAC è stato ed è coinvolto in numerosi progetti di ricerca (progetti europei, accordi bilaterali di cooperazione scientifica, network di eccellenza), portati avanti in collaborazione con vari centri di ricerca accademici e industriali nazionali e internazionali. Numerosi sono anche i contratti e le commesse di ricerca che l'Istituto ha in essere con varie industrie. Tutto ciò fa sì che l'Istituto riceva fondi per la propria attività sia da organismi pubblici, sia privati. All'interno del progetto Atanor si è dunque occupato, in qualità di partner scientifico, dell'attività analitica e di caratterizzazione dei materiali, della preparazione del materiale polimerico additivato da grafene e della sua caratterizzazione meccanica, morfologica e fisica, nonché della fase di disseminazione dei risultati.

Goldmann&Partners Srl

Un progetto nato attorno a una tecnologia innovativa e a un materiale con caratteristiche eccezionali non può prescindere da un contesto culturale che ne ottimizzi la percezione, specie se in relazione a un problema al centro dell'attenzione generale come l'ambiente e la sostenibilità. Ed inoltre era necessario comprendere la situazione internazionale degli studi e delle applicazioni del grafene. Goldmann&Partners Srl si è occupata, mediante la sua attività di ricerca, per il tramite della piattaforma MeglioPossibile.com, di trasmettere informazioni, ricerche, studi, situazioni,  approfondimenti e avanzamenti  scientifici che vedono protagonista il grafene al partenariato del Progetto, con anche l’obiettivo, residuale, di aumentare la conoscenza e la cultura sullo stesso, comunicando agli stakeholder le sue grandi potenzialità e il risultato, per quanto non coperto da informazioni riservate, del Progetto stesso.

Hanno collaborato al progetto Atanor anche il Politecnico di Milano, con il suo Centro L-NESS (Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon) nella sede distaccata di Como, che si è occupato della caratterizzazione del processo e della funzionalizzazione del prodotto e il Centro di Ricerca privato Wheel Energy Laboratory, istituto finlandese specializzato nei test su pneumatici per biciclette e motocicli. Sono stati anche coinvolti gruppi di ciclisti professionisti per esperimenti in condizioni agonistiche.


3. LA SINERGIA TRA DIRECTA PLUS E VITTORIA SPA

In questo contesto si  è inserito l’accordo tra Directa Plus SpA e Vittoria Spa, firmato a dicembre 2012. La start up tecnologica, a un anno dall’inaugurazione del suo centro (il primo in Europa) per la produzione di grafene nel polo tecnologico ComoNext di Lomazzo (attualmente ampliato), ha avviato nei primi mesi del 2013 una joint-venture produttiva e commerciale con la società di Madone, che - con una produzione annua di 7 milioni di gomme da strada, da corsa e da mountain bike e 900.000 tubolari e copertoncini in cotone - è uno dei maggiori specialisti al mondo del settore.

Con questo accordo, il processo G + per la produzione sostenibile e a basso costo di particelle nanometriche di grafene (Graphene Plus) da mescolare ad altri materiali (la cui domanda di brevetto era stata depositata da Directa Plus già nel giugno 2006 presso l’USP-TO, ufficio brevetti americano) si è incontrato con gli strumenti e l’esperienza  di Vittoria SpA. 

Vittoria SpA, parallelamente, proprio a gennaio 2013, ha aperto nel suo stabilimento di Bangkok in Thailandia (dove concentra tutta la produzione di copertoncini, tubolari e camere d’aria) un nuovo reparto che ospita uno dei più innovativi centri di ricerca e sviluppo dedicati all’industria del ciclismo. Qui saranno realizzati per la prima volta a livello industriale gli innovativi pneumatici e camere d’aria a base di grafene.  Questa nuovissima unità produttiva è costata all’azienda un investimento di 11 milioni di dollari USA e, grazie al laboratorio dotato di strumentazioni all’avanguardia, rappresenta il fiore all’occhiello del Gruppo.

La joint venture ha rappresentato per Directa Plus la possibilità di coprire il 40% dei costi di investimento iniziali (attorno ai 7 milioni di dollari USA) e di lavorare su nuove applicazioni del grafene. Per Vittoria, invece, è stata l'occasione di testare l'efficacia della nanoparticella in termini di leggerezza e di resistenza.  

La collaborazione ha permesso di perseguire due obiettivi fondamentali e ambiziosi (se si considera che ciascuna parte dello pneumatico, dalla camera d’aria al battistrada, necessita di una formulazione specifica e precise proprietà):

-          La messa a punto della forma più adatta del materiale in modo da garantire una perfetta interazione e integrazione col sistema elastomerico;

-          La messa a punto della migliore formulazione della mescola elastomerica dal punto di vista chimico per esaltare le molteplici proprietà del grafene.

Il grafene prodotto da Directa Plus è stato così miscelato all'interno di mescole polimeriche in sostituzione totale/parziale delle cariche strutturali tradizionalmente utilizzate (silicati e carbon black). Le nuove mescole sono state vagliate, come sottolineato in precedenza, dal principale Istituto Nazionale di Ricerca sui polimeri, l'ISMAC-CNR, e inizialmente testate sugli pneumatici da bicicletta, in particolare su quelli da competizione che necessitano di caratteristiche tecniche superiori rispetto, per esempio, a quelli impiegati nel settore automotive.

L'elemento di novità del progetto Atanor è stato quindi duplice e ha riguardato sia il processo innovativo e a basso costo per produrre grafene (Graphene Plus), sia l'impiego del grafene nelle mescole degli pneumatici in sostituzione delle cariche tradizionalmente impiegate.


4.IL PROCESSO G+ DI DIRECTA PLUS

Il mercato del grafene si è spostato rapidamente dai laboratori di ricerca alla commercializzazione, guidato dalla domanda incalzante di materiali avanzati da parte dell’industria in svariati settori. Tra questi troviamo, per esempio, quello aerospaziale, automobilistico ed elettronico. La maggior parte dei produttori di grafene - generalmente aziende di dimensioni ridotte (start-up) - attualmente realizza "graphene nanoplatelets" e ossidi di grafene con processi produttivi da laboratorio non adatti su scala industriale a causa degli alti costi di investimento iniziale e dei bassi volumi prodotti.

 Il processo G+, volto alla produzione del Graphene Plus, invece, opera nella direzione di ridurre i costi di produzione del materiale in modo da consentirne un effettivo impiego industriale. In termini di costo, i vantaggi connessi alla produzione del Graphene Plus risiedono nella possibilità di ingegnerizzazione dei prodotti in funzione delle diverse applicazioni industriali. Partendo da una materia prima abbondante e di utilizzo comune come la grafite, il processo produttivo di proprietà di Directa Plus è in grado di ottenere - a basso costo e utilizzando macchinari disponibili sul mercato - nanoparticelle di carbonio delle dimensioni desiderate sia relative alle dimensioni planari (x/y), sia al numero di strati di atomi di carbonio (z, ovvero lo "spessore"). A seconda del grado di esfoliazione e di purezza delle nanoparticelle di carbonio utilizzate nel processo, si possono ottenere materiali compositi altamente performanti, rivolti a differenti settori. In primis, dato lo sviluppo sperimentale connesso all’attività di ricerca del progetto Atanor, quello dell’automotive (pneumatici), ma anche dell’elettronica e della sensoristica, o delle batterie agli ioni litio. Inoltre, rispetto alle tradizionali nanoparticelle di carbonio, il Graphene Plus, grazie all'alto grado di esfoliazione derivante dal suo processo produttivo, presenta un sensibile incremento del valore delle proprietà chimico-fisiche che lo caratterizzano. In particolare, si registra un incremento delle proprietà elettroniche (altissima conduttività o semiconduttività regolabile), meccaniche (maggiore resistenza e flessibilità) e termiche (alto grado di conduttività).


I vantaggi del processo possono essere sintetizzati così:

-          processo semplice e scalabile in grado di produrre in modo uniforme nanoparticelle ingegnerizzate;

-          materia prima abbondante e a basso costo;

-          impianto di produzione a basso costo.

 

5.I VANTAGGI DEL GRAFENE NELLA MESCOLA

Le nanoparticelle di Graphene Plus, come già sottolineato, sono state utilizzate come additivo nelle mescole delle gomme, sostituendo o integrando il carbon black. La particolare struttura del grafene e la sua area superficiale notevolmente superiore a quella delle tradizionali cariche permettono l’espressione di eccezionali caratteristiche a fronte di aggiunte minime del nanomateriale prodotto da Directa Plus:

-   Rinforzo statico - le particelle di Graphene Plus hanno un potere di interazione con la matrice polimerica nettamente superiore a quella del carbon black a parità di quantità aggiunta (si ottengono così le stesse proprietà fisico- meccaniche, aggiungendo molto meno materiale;

-    Impermeabilità - una quantità minima di Graphene Plus è in grado di conferire livelli di impermeabilità notevolmente superiori a quelle del carbon black;

-    Conducibilità termica ed elettrica - l’aggiunta di quantità modeste di Graphene Plus in un sistema elastomerico ha effetti superiori anche rispetto ai migliori additivi disponibili;

-  Rinforzo dinamico - meno materiale vuol dire in rapporto più gomma, elemento che migliora le caratteristiche elastiche della mescola con il risultato di una migliore resistenza al rotolamento dello pneumatico (rolling resistance).

La resistenza al rotolamento è una forza che si manifesta come perdita di energia meccanica ed è dovuta alla deformazione dello pneumatico nella zona di contatto. Pur dipendendo da molti fattori, la causa principale della resistenza al rotolamento degli pneumatici è la proprietà viscoelastica dei composti di gomma utilizzati. Composti che "deformandosi" dissipano energia sotto forma di calore.


Si ritiene, dunque, che l'uso del grafene nelle diverse mescole degli pneumatici possa realizzare i seguenti effetti:

-    Battistrada - diminuzione della rolling resistance, miglioramento di tenuta sul bagnato;

-   Sottostrato - diminuzione della rolling resistance;

-    Fianco - miglioramento della resistenza alla lacerazione e alla fatica, dissipazione delle cariche elettrostatiche;

-    Cintura - miglioramento dell'adesione, conduzione del calore dal battistrada all’intera area della cintura con riduzione del danno termico;

-   Inner liner - miglioramento dell'impermeabilità e dell'adesione.

I prodotti ottenuti presentano quindi:

-          maggiore livello di sicurezza;

-          riduzione dell'abrasione;

-          maggiore resistenza allo scivolamento sul fondo asciutto e bagnato;

-          maggior livello di permeabilità all'aria;

-          maggiore resistenza alla perforazione;

-          maggiore stabilità in curva;

-          maggiore leggerezza;

-          maggiore velocità.

 

6. I VANTAGGI COMPETITIVI

L'incremento prestazionale unico delle mescole a base Graphene Plus connoterà Vittoria SpA come marca ad alto carattere innovativo e favorirà la diffusione del prodotto a livello globale attraverso le differenti fasce di prezzo di mercato, con lo scopo di sostituire del tutto o parzialmente, a lungo termine, le mescole attuali a base carbon black e silice, più inquinanti e dispendiose (considerando il loro complessivo ciclo di vita). Oltre a poter contare su un sensibile miglioramento dei prodotti, l’azienda potrà estendere il proprio settore di interesse agli pneumatici destinati anche ad altri usi, con interessanti vantaggi in termini di competitività.

Per quanto riguarda gli pneumatici da bici, Vittoria SpA stima di ottenere dalla realizzazione pratica e concreta del progetto Atanor importanti ricadute in termini di mercato. L’impresa avrà la possibilità di incrementare in modo significativo le vendite dei propri prodotti finiti e semilavorati, aumentando le proprie quote di mercato e penetrando maggiormente in segmenti di alta qualità e margine.

Inoltre, sono previsti importanti benefici in termini di riduzione dei costi industriali. Se da un lato, confrontando il costo delle materie prime (carbon black e Graphene Plus) non si registra un significativo vantaggio, dall'altro questo risulta evidente analizzando la quantità di materiale necessaria alla produzione degli pneumatici. Grazie alle proprietà fisiche del Graphene Plus, si stima infatti che una parte del nuovo materiale possa sostituire ben 10 parti di carbon black. I benefici in termini di riduzione della quantità delle materie prime da acquistare si traducono, ovviamente, in altrettante ricadute economiche positive per il bilancio aziendale di Vittoria SpA (calo dei costi di produzione e incremento del margine operativo lordo).

Un altro vantaggio, infine, è l'abbreviazione dei cicli del prodotto e/o del servizio (con riferimento al lead-time di approvvigionamento, produzione e consegna) e al time-to-market. Directa Plus stima possa ridursi notevolmente il time-to-market connesso alla produzione. Il motivo è dato dalle caratteristiche fisiche del Graphene Plus che ne rendono fortemente sconveniente il trasporto. Pertanto, sia a livello sperimentale, sia a livello industriale, il Graphene Plus verrà prodotto in loco e, successivamente, inserito all'interno del processo produttivo. Ciò comporterà una notevole riduzione del lead-time di approvvigionamento e, di conseguenza, del time-to-market, con sensibili risultati in termini competitivi per Vittoria SpA.

7. I VANTAGGI PER L’AMBIENTE

L'impiego di grafene nelle mescole consente la sostituzione parziale o totale delle cariche rinforzanti attualmente impiegate, riducendo:

-          il carbon black - il cui processo di produzione è estremamente energivoro e inquinante;

-          la silice - esistono problemi di gestione e di smaltimento causati dalle gravi criticità relative all'esposizione ai particolati aerodispersi contenenti silice cristallina (che presentano carcinogenicità di gruppo).

Inoltre, la riduzione della resistenza al rotolamento nel battistrada degli pneumatici da bicicletta si riflette nelle performance dello pneumatico per automotive con una significativa diminuzione del consumo di carburante e delle emissioni di CO2. Si calcola infatti che la resistenza al rotolamento sia responsabile della dissipazione del 20% dell'energia consumata da un'automobile (pari a un pieno su cinque). L'impiego del grafene negli pneumatici potrebbe quindi avere importanti ripercussioni nell'ambito della mobilità sostenibile, sia per una diminuzione dei consumi di carburante, sia per la conseguente riduzione delle emissioni di anidride carbonica (uno dei maggiori responsabili dell’effetto serra). Inoltre, consentirà di ridurre l’usura dello pneumatico.

Un ulteriore beneficio ambientale del prodotto è infine relativo al suo impiego nel mercato delle biciclette elettriche, dato che consentirà di estendere notevolmente il raggio d’azione delle batterie.


8. GOLDMANN&PARTNERS: IL RUOLO DELLA RICERCA

L’apporto di Goldmann & Partners Srl nel partenariato “ATANOR” è stato fin dall’inizio del progetto finalizzato ad eseguire indagini scientifiche relative ai benefici ambientali ed energetici, affinché esse veicolassero due aspetti di Ricerca & Sviluppo (R&S):

 

ü  Individuazione di aree e settori tecnologici e scientifici attraverso lo studio delle applicazioni del grafene presenti sul mercato e delle caratteristiche chimico-fisiche del materiale, così da favorire l’introduzione di tale materiale innovativo nei processi produttivi di un numero potenzialmente illimitato di imprese produttive;

 

ü  Aumentare la conoscenza nell’ambito del grafene, anche attraverso ricerche e verifiche tecnico-scientifiche nell’ambito dell’architettura ed edilizia, nonché iconografiche, in merito a tutte le sezioni del sito web http://www.megliopossibile.com , alcune sezioni del quale (principalmente, quelle intitolate “ATANOR” e “GRAFENE”) rappresentano l’output finale degli studi di R&S condotti da Goldmann & Partners Srl nell’ambito del progetto finanziato ai sensi del bando RL-MIUR 2011, in virtù del fatto che la redazione degli articoli scientifici è dipesa dal perseguimento di studi scientifici non già esistenti, né facilmente reperibili, ma appositamente condotti durante la realizzazione del progetto ammesso a contributo.

 

Goldmann & Partners Srl è infatti un Centro Studi dedicato alla ricerca tecnica, scientifica ed economica sulla sostenibilità applicata e all'approfondimento di tutti i temi correlati, in partnership costante con imprese, università e istituzioni nazionali e internazionali; la partecipazione al progetto ATANOR ha permesso principalmente di effettuare ricerche scientifiche finalizzate a reperire informazioni disaggregate attraverso l’utilizzo del portale http://www.megliopossibile.com.

La redazione degli articoli in esso pubblicati discende da fasi di ricerca accurate e approfondite, in quanto tali informazioni non sono già reperibili sul mercato, né sul web in maniera semplificata, ma reperibili solo attraverso una sofisticata attività di ricerca sui meta-tag, attività che richiede una competenza tecnica approfondita e specifica.

Il portale http://www.megliopossibile.com rappresenta la piattaforma contenente i risultati degli studi effettuati durante la realizzazione del progetto “ATANOR”, ed è stato anche lo strumento di reperimento delle informazioni scientifiche che hanno costituito la base delle attività di ricerca; la pubblicazione degli articoli sulla rete web non è attività di disseminazione dei risultati, ma strumento di raccolta e verifica dei risultati della R&S condotta da parte dei lavoratori e consulenti coinvolti nel progetto.

Le attività inerenti non sono dunque attività di comunicazione e diffusione, ma fasi di ricerca scientifica e “disseminazione interna”, utilizzate per reperire le informazioni tecnico-scientifiche necessarie a tutti i Partners del Progetto, allo scopo di realizzare il progetto ammesso al contributo. Tali attività sono state svolte mediante l’utilizzo di lavoratori, professionisti e consulenti di natura tecnica, esplicitamente dedicati alla ricerca di tipo tecnico e scientifico nell’ambito del grafene.

L’attività di Goldmann & Partners Srl si è, infine, concentrata sulla produzione di articoli, ed eventi, volti ad aumentare e migliorare la conoscenza del grafene, pubblicandoli sul portale http://www.megliopossibile.com, in modo da preparare gli stakeholder alla divulgazione dei risultati della ricerca (per quanto attiene la parte non riservata o confidenziale) e al mercato.

 

Il contributo di Goldmann & Partners Srl nell’ambito del progetto ATANOR è elencato a seguire:

 

1) Creazione della piattaforma del portale: al fine di aumentare le performance e la precisione, rendere più sofisticata, professionale e atta/strumentale la piattaforma stessa per le ricerche/analisi ad uso esclusivo del partenariato, ai fini del Progetto ammesso a contributo.

2) Ricerche scientifiche. Ricerche su prospettive presenti e future circa l’impiego del grafene; analisi del mercato e relative prospettive dal punto di vista dell’utilizzo del grafene nell’ambito delle diverse realtà industriali appartenenti al comparto manifatturiero. Reperimento delle informazioni necessarie agli altri membri del partenariato (Capofila Directa Plus S.p.A., Vittoria S.p.A. e CNR-ISMAC) al fine di sviluppare le fasi di Progetto secondo gli obiettivi prefissati;

Attività 3) Diffusione dei risultati. In quota residuale, anche attività di comunicazione e diffusione dei risultati derivanti indirettamente dalle attività di ricerca condotte (tali attività hanno creato le basi per suscitare un interesse condiviso tra enti di ricerca e realtà industriali fortemente interessate allo sviluppo delle future applicazioni del nuovo materiale). Da qui, l’idea, già precisata in sede di domanda di contributo, di pubblicare i risultati di progetto (articoli, interviste e studi in relazione col tema del progetto) derivanti direttamente dall’attività di ricerca condotta a monte sul portale www.megliopossibile.com.

MeglioPossibile.com, il magazine del Centro Studi, ha dedicato una sezione completa del sito - interamente tradotta anche in inglese - al grafene. La sezione è a sua volta suddivisa in sei sottocategorie:

-          Proprietà generali;

-          Ricerca di base e finanziamenti;

-          Ambiente e sostenibilità;

-          ICT e Tecnologie digitali;

-          Energia;

-          Medicina e biotecnologie.

Dall’inizio del progetto a oggi, sono stati pubblicati oltre 60 articoli, suddivisi nelle diverse sottocategorie descritte, insieme ad alcune brevi notizie, nella sezione MININEWS del sito. Gli articoli sono tutti riportati nei due allegati posti alla fine del report. (ALLEGATO1: ARTICOLI PUBBLICATI DA MEGLIOPOSSIBILE.COM NELLA SEZIONE “GRAFENE” e  ALLEGATO 2: ARTICOLI PUBBLICATI DA MEGLIOPOSSIBILE.COM NELLA SEZIONE “MININEWS”).

 

8.1 LA MOSTRA - GRAFENE: IL NANOMATERIALE DELLE MERAVIGLIE

Il Centro Studi Goldmann&Partners, nel suo percorso residuale di divulgazione nell’ambito del progetto Atanor, ha puntato sui giovani: una risorsa indispensabile per diffondere la conoscenza relativa a un materiale che rivoluzionerà la quotidianità delle generazioni a venire. In quest’ottica, il Centro Studi ha promosso la mostra “GRAFENE: IL FUTURO IN 2D, COME CI CAMBIERA’ LA VITA”, realizzata in collaborazione con il Collegio di Milano, struttura di eccellenza che ospita studenti provenienti da tutte le facoltà universitarie milanesi. Sotto la guida di tutor specializzati, Goldmann&Partners ha infatti coinvolto un gruppo di dodici allievi, con background diversi, nella preparazione di una esposizione trasversale, frutto di incontri con esperti e attività di approfondimento che i ragazzi hanno seguito nell’arco di sei mesi. L’obiettivo di Goldmann&Partners era quello di dare vita a una sorta di “bottega rinascimentale” in cui i giovani potessero integrare le loro differenti esperienze e capacità, lavorando insieme per creare uno strumento di comprensione e conoscenza dell’universo grafene. Strumento che ha preso corpo dopo un lungo percorso di trasformazione, una specie di crogiolo che richiama in un certo senso il significato stesso del nome del progetto: Atanor. L’iniziativa ha rappresentato un'importante opportunità di formazione (fornendo agli studenti la possibilità di imparare sul campo modalità progettuali legate al mondo imprenditoriale tramite l’esplorazione di una frontiera scientifica e tecnologica del tutto nuova) e di divulgazione (dando al largo pubblico la possibilità di informarsi sullo stato attuale di ricerca e sulle implicazioni più pratiche che coinvolgono il “materiale delle meraviglie”). La mostra, gratuita, è rimasta aperta al pubblico dal 25 giugno al 3 luglio presso l'Università Statale di Milano e ha avuto una grande risonanza mediatica: ne hanno parlato importanti quotidiani nazionali come il Corriere della Sera e Italia Oggi, oltre a prestigiose testate online come Vita.it. Non solo: la trasmissione di scienza Moebius, in onda su Radio 24, ha dedicato un approfondito servizio all’esposizione. Ottima la risposta dei visitatori. Di seguito viene riportato l’articolo di approfondimento relativo all’evento, pubblicato su MeglioPossibile.com, e il link alla gallery fotografica dedicata.

 

UN VIAGGIO NELL’UNIVERSO DEL GRAFENE

Che cos'è, come viene prodotto e soprattutto in che modo rivoluzionerà il nostro futuro: a queste e a molte altre domande risponde, in maniera chiara e immediata, la mostra "Grafene: il futuro in 2D come ci cambierà la vita", in esposizione presso l'Università Statale di Milano fino al 3 luglio.

E' un materiale dalle proprietà uniche: oltre a essere il più sottile e leggero al mondo (ha uno spessore di un solo atomo), risulta 50 volte più resistente dell'acciaio, allo stesso tempo super-elastico, trasparente, nonché un ottimo conduttore di elettricità e calore. Con queste premesse, il grafene si appresta a diventare la rivoluzione tecnologica dei prossimi anni, portando alla realizzazione di dispositivi degni di un film di fantascienza. Tantissime le sue possibili applicazioni, alcune delle quali ancora inimmaginabili, nel campo dell'elettronica, della bio-medicina e dell'energia, ma anche della mobilità e dell'architettura. La prestigiosa rivista Nature prospetta addirittura l'avvento di un'era del grafene, paragonabile per portata rivoluzionaria a quella del Bronzo e del Ferro. E proprio al materiale, definito da molti "delle meraviglie", è dedicata la mostra "Grafene: il futuro in 2D come ci cambierà la vita", promossa dal Collegio di Milano (struttura di eccellenza che ospita alcuni dei migliori studenti provenienti dai diversi atenei milanesi) e dal Centro Studi per la Sostenibilità Applicata di Goldmann&Partners.

L'obiettivo dell'iniziativa è quello di diffondere e ampliare le conoscenze sul grafene, sulle sue applicazioni nanotecnologiche (che impatteranno positivamente anche in termini di sostenibilità) e su alcune delle possibili implicazioni che l'adozione di questa tecnologia produrrà a livello socio-econimico e istituzionale. Autori dell'esposizione 12 studenti del Collegio di Milano, provenienti da diverse facoltà. I ragazzi hanno approfondito il tema - durante un percorso di studio e ricerca durato sei mesi - ciascuno a partire dalla propria formazione di partenza (chi dunque da un punto di vista architettonico, chi più prettamente economico, chi ancora legislativo). L'istallazione – aperta al pubblico presso il colonnato di Largo Richini dell'Università Statale di Milano (via Festa del Perdono 7), fino al 3 luglio – è semplice e immediata.

Otto pannelli numerati, completi di immagini, testi e grafica, sono esposti a coppie all'interno di piccole cupole reticolari che ospitano non più di una manciata di visitatori per volta. Il percorso inizia con un'immersione nel mondo della nanotecnologia, di cui il grafene è protagonista: quel ramo della scienza applicata e della tecnologia che studia la materia nel piccolissimo (una nanoparticella è un milione di volte più piccola di una formica) e che si propone di miniaturizzare materiali già esistenti (perché stessi materiali con dimensioni diverse presentano anche proprietà diverse). In questo contesto spicca il grafene, monostrato di atomi di carbonio disposti a formare una griglia esagonale, che è stato ottenuto isolando singoli fogli presenti nella normale grafite e che possiede caratteristiche molto più interessanti di quelle presentate dal mondo macroscopico. A scoprirlo, separandolo da un blocco di grafite con un semplice pezzo di scotch, furono nel 2004 due giovani ricercatori russi dell'Università di Manchester - Konstantin Novoselov e Andre Geim - successivamente vincitori del premio Nobel per la Fisica grazie ai loro studi sul grafene.

Il viaggio continua con una panoramica che descrive i vari attori al centro della "rivoluzione grafene" e il ruolo che dovranno rivestire nel prossimo futuro. Dai governi, responsabili di creare le condizioni necessarie all'innovazione con canali finanziari e strumenti di supporto all'impresa, ai laboratori universitari, rafforzati dalla collaborazione tra diversi centri di ricerca e dalla sinergia con start up e spin off. A tal proposito, l'Italia è presente in questo scenario innovativo e imprenditoriale grazie a Directa Plus, una azienda pronta a entrare nel mercato mondiale con i suoi prodotti legati alle nanoplatelets di grafene (polvere finissima composta di scaglie nanometriche di grafene da mescolare ad altri materiali).

La mostra approfondisce poi il contesto da un punto di vista geopolitico ed economico. Si scopre così che la produzione di grafene impiega solo modeste quantità di grafite, un materiale diffuso e già ampiamente commercializzato. Se ne vendono infatti 1,2 milioni di tonnellate l’anno, a 2500 dollari USA per tonnellata (il rame costa ben 8000 dollari USA alla tonnellata). Risulta quindi ragionevole aspettarsi che nel prossimo futuro si ridurrà la "rendita" dei Paesi che possiedono i giacimenti di materie prime, a favore di chi possiede maggiori capacità tecnologiche. Sulla scia, l'Europa ha da poco lanciato il super progetto Flagship Graphene (il più ambizioso mai messo in campo) che vede destinato un investimento di un miliardo di euro per supportare 10 anni di ricerca sul grafene. Attualmente, però, il primato di brevetti depositati in tale ambito spetta alla Cina (ben 2204 contro i soli 200 europei). Questo avviene anche perché il colosso cinese possiede una legislazione in materia molto più flessibile ed elastica rispetto a quella del Vecchio Continente.

Il percorso si conclude con la descrizione delle possibili applicazioni dell'innovativa tecnologia: dai pannelli fotovoltaici a maggior resa, alle vernici che rendono le pareti inattaccabili da muffe e microrganismi, fino ai filtri super potenti per rendere potabile l'acqua contaminata o per ripulire il mare, per esempio in seguito alle fuoriuscite di idrocarburi dalle piattaforme petrolifere.

Non solo. Grazie al grafene si potrà parlare di transitor 10 volte superiori a quelli in silicio, di stoccaggio dell'idrogeno, di schermi touchscreen flessibili e arrotolabili. Ma anche di supercapacitori per auto elettriche in grado di ricaricarsi fino a 1000 volte più velocemente delle comuni batterie e di dispositivi in grado di analizzare l'intero genoma umano in poche ore o di integrarsi perfettamente al nostro sistema nervoso con l'obiettivo di combattere le malattie degenerative, riparare i tessuti danneggiati o addirittura di potenziare i nostri sensi. Per ripercorrere tutta la mostra, guarda la photogallery.

Goldmann&Partners ha intrapreso questa attività con il Collegio di Milano nell'ambito del progetto Atanor, un'iniziativa della Regione Lombardia dedicata allo sviluppo di materiali polimerici multifunzionali a base di grafene.

 

9. I RISULTATI

Il Progetto Atanor, giunto alla sua conclusione, ha consentito di sviluppare un’innovazione tecnologica verde e sostenibile, applicabile sia alle due che alle quattro ruote. Il risultato è uno pneumatico più efficiente, più veloce e più sicuro. Test realizzati da Vittoria Spa, in collaborazione con l’istituto di certificazione indipendente Wheel Energy Laboratory, sui prototipi di copertoncini per biciclette - oltre a prove effettuate su strada da squadre di ciclisti amatori e professionisti - hanno dimostrato che l’utilizzo di piccole quantità di Graphene Plus nella mescola da battistrada si traduce in una riduzione della rolling resistance del 16% e quindi in una maggiore durata del prodotto.

(*) Diametro 1200 mm tamburo piatto in acciaio; velocità 40 km/h; peso 50 kg; pressione pneumatico 8,0 bar

La mescola da battistrada contenente Graphene Plus consente, allo stesso tempo, di conservare buoni livelli di tenuta, anche sul bagnato. Non solo, la morfologia particolare del grafene di Directa Plus utilizzato nelle camere d’aria ha ridotto in modo significativo la perdita di pressione, con un miglioramento registrato del 20% nell’impermeabilità all’ossigeno, senza inficiare la leggerezza del prodotto. Questo consente di ottenere uno pneumatico che mantiene più a lungo i livelli di pressione ottimali, incrementandone la sicurezza.

Ulteriori esperimenti hanno dimostrato l’effettivo aumento della resilienza, del modulo elastico, della dissipazione delle cariche elettrostatiche e della dissipazione del calore (che comporta una maggiore durata dello pneumatico grazie alla riduzione del deterioramento termico del materiale).  Infine, Vittoria SpA sta producendo altri 100 prototipi di pneumatici che saranno testati da gruppi di ciclisti professionisti.

 

10. IL CONCORSO: PREMIO INNOVAZIONE AMICA DELL’AMBIENTE

Directa Plus e Victoria SpA hanno partecipato con la loro nuova tecnologia al Premio Innovazione Amica dell'Ambiente, riconoscimento nazionale (promosso da Legambiente in partnership con Confindustria, Regione Lombardia, Politecnico di Milano, Università Bocconi e con il contributo di Fondazione Cariplo) rivolto all'innovazione di impresa in campo ambientale.  Durante la premiazione, svoltasi il 27 gennaio 2014 presso Palazzo Pirelli a Milano, il progetto ha ricevuto una menzione speciale perché considerato dalla giuria di fortissimo interesse per il suo potenziale. Di seguito l’articolo pubblicato su MeglioPossibile.com relativo all’esito della competizione.

PREMIO INNOVAZIONE AMICA DELL’AMBIENTE: MENZIONE SPECIALE PER GLI PNEUMATICI AL GRAFENE DI DIRECTA PLUS E VITTORIA SPA


Il progetto, considerato di fortissimo interesse per il suo potenziale, è stato segnalato come esempio di buona pratica ambientale dalla giuria della competizione promossa da Legambiente.

Directa Plus, prima azienda europea a generare a livello industriale prodotti a base di grafene - il cosiddetto materiale delle meraviglie - ha ricevuto una menzione speciale nell'ambito del Premio Innovazione Amica dell'Ambiente, promosso da Legambiente in partnership con Confindustria, Regione Lombardia, Politecnico di Milano, Università Bocconi e con il contributo di Fondazione Cariplo.

"Sostenibilità, intelligenza e bellezza" sono i temi su cui si è concentrato quest'anno il concorso, che si pone l'obiettivo di diffondere buone pratiche orientate alla sostenibilità ambientale, valorizzando quelle realtà in grado di raccogliere le sfide dell'ambiente come valore e opportunità irrinunciabile di sviluppo economico e sociale.


E proprio in quest'ottica, la start up di Lomazzo è stata segnalata per il suo progetto
"Grafene nella Gomma" (di cui abbiamo parlato qui!) - realizzato con Vittoria Group, leader mondiale nella produzione di pneumatici per biciclette. "Il progetto - sottolinea la giuria - è stato considerato di fortissimo interesse per il suo potenziale. Attualmente, l'azienda con un produttore leader di mercato di biciclette, ha individuato la modalità di utilizzo del grafene negli pneumatici per la linea da corsa. Si tratta di una nicchia, ma è il secondo prodotto al mondo a vedere un'applicazione concreta di un materiale e di una tecnologia emergente, considerata a livello europeo tra le più promettenti. L'azienda italiana, produttrice di grafene, è impegnata in ricerca e sviluppo per l'applicazione nei pneumatici per automotive''.

«La nostra tecnologia di produzione del grafene, fin dalla sua concezione, ha sempre messo al primo posto i valori di sostenibilità ambientale e sicurezza, con l'obiettivo di migliorare, attraverso i prodotti che contengono grafene, la qualità dell'ambiente e della vita dell'uomo -  commenta Giulio Cesareo, presidente e Ceo di Directa Plus. L'utilizzo del grafene negli pneumatici, per biciclette e per l'automotive - continua - è una delle numerose applicazioni green a cui stiamo lavorando. Solo per citare due esempi, il grafene ha rivelato proprietà straordinarie anche nella depurazione delle acque e dell'aria contaminate. La nostra azienda sta continuando con impegno il proprio percorso di ricerca applicativa, con risultati di grandissimo interesse, che ci hanno portato alla decisione di espandere la nostra realtà produttiva. Tra poche settimane inaugureremo infatti a Lomazzo Le Officine del Grafene, che ospiteranno, su un'area di 800 mq, il più grande impianto produttivo industriale di grafene in Europa».


Tra i 151 candidati all'edizione 2013 (la dodicesima), 7 sono stati i vincitori e 12 le realtà segnalate per l'interesse suscitato (
clicca qui per conoscerli tutti!).

 

GLOSSARIO

Nanometro: unità di misura corrispondente a un miliardesimo di metro. Per  dare un’idea dell’ordine di grandezza, si pensi che il DNA ha un diametro di circa 2 nanometri.

Nanoparticelle: particelle formate da aggregati di atomi o molecole con un diametro compreso indicativamente fra 2 e 200 nm.

Nanotubi di carbonio: nanoparticelle che possiedo nono una struttura simile a quella di un piccolissimo tubo, allungata e cava all’interno. Le pareti sono costituite da atomi di carbonio legati a formare una rete a maglie esagonali.

Nanotecnologie: insieme delle conoscenze e delle tecniche relative alle nanostrutture che consentono di modificare le proprietà della materia intervenendo sulle singole molecole, addirittura su pochi atomi, e di progettare e realizzare dispositivi su scale nanometriche.

Carbon black: pigmento prodotto dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti comunemente usato nella mescola degli pneumatici per rinforzare le caratteristiche meccaniche della gomma e per condurre il calore del battistrada sull'intera area della cintura dello pneumatico, riducendo il danno termico.

Mescola elastomerica: mescola costituita da polimeri naturali o sintetici che presentano le caratteristiche chimico-fisiche della gomma naturale. Tra le più particolari: la capacità di subire grosse deformazioni elastiche.

Graphene nanoplatelets: polvere finissima composta da scaglie nanometriche di grafene da mescolare ad altri materiali.

Inner liner: è il rivestimento interno dello pneumatico, un foglio di gomma rinforzato con additivi che riducono la permeabilità all'aria. Il rivestimento interno assicura che lo pneumatico possa contenere al suo interno aria ad alta pressione.

Cintura dello pneumatico: è costituita da strati multipli di corde o fili d'acciaio, nylon, poliestere o rayon (in disuso) interposti  tra la carcassa e il battistrada. Aumentano la resistenza dello pneumatico e stabilizzano il battistrada,  garantendo protezione contro urti e forature.

Fianco dello pneumatico: protegge la tela (o carcassa) dagli agenti atmosferici e chimici, inoltre si oppone alla flessione cui è sottoposto durante l'impiego.

Tela: consente la trasmissione di tutte le forze di carico tra la ruota e il terreno, inoltre garantisce la resistenza alla pressione di gonfiaggio e successivamente di esercizio durante tutte le manovre. Questo elemento è composto principalmente da fili di Nylon affiancati (tela).

Sottostrato: strato di gomma che aderisce al battistrada.

Battistrada: è l'elemento dello pneumatico a contatto con l'asfalto, assicura la trazione del mezzo, resiste all'usura e protegge la tela, viene prodotto con la gomma per trasmettere e ricevere gli attriti che si generano con il movimento.

 

Lead-time: in ingegneria gestionale è un parametro anche definito “tempo di risposta”. Per esempio, il tempo di risposta di un’azienda a fronte della richiesta da parte del cliente di un nuovo prodotto oppure di un prodotto  già esistente, ma anche il tempo necessario per fabbricare un certo prodotto nel reparto Produzione, dal momento dell'ingresso delle materie prime all'uscita del prodotto finito, o ancora il tempo che intercorre tra l'inoltro dell'ordine di acquisto e l'arrivo delle merci.

Time-to-market: è una espressione che indica il tempo che intercorre dall’ideazione di un prodotto alla sua effettiva commercializzazione. Comprende le fasi di studio di mercato, studio di fattibilità, ingegnerizzazione, creazione di un prototipo, produzione in larga scala, immissione sul mercato. Nel campo delle nuove tecnologie è molto importante ridurlo il più possibile per imporsi prima dei concorrenti.

ALLEGATO 1: ARTICOLI PUBBLICATI DA MEGLIOPOSSIBILE.COM NELLA SEZIONE “GRAFENE”

… STRADA FACENDO ROTOLA

Siamo in pochi a sapere che esiste una forte correlazione tra consumo di energia, emissioni di CO2 e pneumatici. Lo sanno bene invece le case automobilistiche, che investono negli studi sulla resistenza al rotolamento.

Per garantire comfort e aderenza un pneumatico deve essere morbido. Pertanto, quando entra in contatto con il suolo, si deforma. Per ritornare alla sua forma iniziale dopo ogni deformazione, il pneumatico ha bisogno di energia e una parte di quest’energia viene dissipata sotto forma di calore. Questa perdita di calore viene definita "resistenza al rotolamento".

Basti pensare che quasi il 20% dell’energia consumata da un’automobile (e quindi un pieno su cinque!) viene dissipata proprio dalla "resistenza al rotolamento".

Ovviamente il maggior consumo di carburante determina maggiori emissioni di CO2, nonché costi più elevati.

Attualmente gli pneumatici sono prodotti mescolando alla gomma grandi quantità di nanoparticelle di nerofumo o carbon black (fino al 50% del suo peso ). Il carbon black è un pigmento prodotto dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti che viene impiegato sia per il rinforzamento della gomma, che per la conduzione del calore del battistrada sull'intera area della cintura dello pneumatico.

Per cercare di ridurre la “resistenza al rotolamento” da  oltre una decina di anni le più importati case produttrici di pneumatici aggiungono silicio nelle mescole di gomma, migliorando anche l’aderenza.

Una drastica riduzione della “resistenza al rotolamento” può essere oggi ottenuta dall’impiego del grafene all’interno delle mescole. Questo nuovo materiale, grazie alle sue caratteristiche fisiche di elasticità, leggerezza, conduttività e resistenza potrebbe essere l’innovazione tecnologica vincente nel campo del risparmio energetico.

Perché possa essere impiegato in un mercato di massa come quello degli pneumatici e non solo in applicazioni di alta tecnologia, è necessario che il grafene abbia costi di produzione contenuti.

Le case automobilistiche stanno studiando tecnologie da utilizzarsi in veicoli che offrano bassi consumi e inferiori livelli di emissione di CO2 come risposta alla crisi energetica e alla prevista riduzione della disponibilità di carburanti fossili, nonché alle indicazioni del protocollo di Kyoto (che prevede la riduzione del 20% di CO2 entro il 2020). Questo risultato potrà ottenersi anche producendo pneumatici con bassa resistenza al rotolamento.

Le università e le imprese impegnate nello studio di questo nuovo materiale dovranno dedicarsi al passaggio dalla fase di laboratorio alla vera e propria industrializzazione del grafene, ottenendo così costi compatibili con l’utilizzo nel mass market.

 

ALLA BATTERIA, IL GRAFENE

Musica nuova per cellulari, macchine fotografiche digitali e computer portatili. Ma anche utensili da lavoro e soprattutto auto ibride e auto elettriche. Una grande innovazione tecnologica è comune a tutti questi oggetti: le batterie agli ioni di litio (e i supercapacitor dove il grafene può svolgere al meglio la sua capacità di “stoccare”).

Negli ultimi anni, l’introduzione di questa tecnologia - batterie agli ioni di litio - ha consentito uno sviluppo impensabile dell’elettronica portatile, così come di molti utensili da lavoro e da hobbistica come trapani, avvitatori etc, che sono finalmente diventati wireless.

Anche il mercato dell’automotive, sempre più dedicato allo sviluppo sostenibile, ha scelto la traiettoria tecnologica delle batterie agli ioni di litio, da impiegare dapprima sulle auto ibride e poi su quelle completamente elettriche.


Le università e le aziende impegnate nello studio di queste batterie di nuova generazione stanno investendo grandi risorse nella ricerca e nello sviluppo per risolvere gli attuali limiti tecnologici: costi, densità di energia e di potenza, sicurezza e ciclo di vita. Le nanotecnologie verranno impiegate nello sviluppo di nuovi materiali in grado rispondere a queste esigenze.

Il meccanismo di funzionamento delle batterie agli ioni di litio si basa sulla migrazione di ioni di litio che vengono ciclicamente estratti e introdotti all’interno degli elettrodi durante i processi di ricarica e utilizzo.
Parallelamente alla migrazione degli ioni, avviene la riduzione/ossidazione dell’elettrodo ospite, che provoca un flusso esterno di elettroni. La capacità di stoccaggio di una batteria, e quindi la sua densità di energia, è data dalla quantità di litio in grado di essere contenuta reversibilmente all’interno dei due elettrodi.

 

Grafite e carbonio attivato vengono comunemente utilizzati, all’interno degli anodi (elettrodi negativi) delle batterie agli ioni di litio, per stoccare le molecole di litio.

L’impiego di nano particelle di grafene, negli anodi delle batterie, potrebbe essere l’innovazione tecnologica in grado di incrementare le performance delle batterie: grazie alla sua grande area superficiale il grafene ha la capacità di stoccare molto più litio rispetto alla grafite tradizionalmente impiegata.

Il successo delle vetture elettriche dipende in primo luogo dal prezzo di acquisto, del quale la batteria rappresenta il componente più costoso.

È necessario quindi, nell’ottica di uno sviluppo sostenibile, che i nuovi materiali impiegati nelle batterie siano disponibili e diffusi e abbiano un costo contenuto.

 

Grazie alle nanotecnologie, le batterie al litio raggiungeranno, a breve, performance tali da competere con i motori a scoppio per autoveicoli. Gli esperti prevedono che le cosiddette auto ibride, nel giro del prossimo quinquennio, conquisteranno una quota di mercato compresa tra il 10 e il 15%.

L’auto elettrica, silenziosa ed ecologica diventerà imbattibile anche a livello di consumi per quanto riguarda i tragitti cittadini.

Sarà una vera rivoluzione che consentirà di abbattere le emissioni inquinanti, e quelle sonore.

Tutto ciò migliorerà drasticamente la qualità della vita nelle nostre città.

 

LA MITICA RADIOLINA IERI E OGGI

Ricordate la “radiolina” a transistor? Oggi Il grafene dispone di proprietà elettroniche uniche, derivanti proprio dalla sua struttura bidimensionale ed è un materiale ad altissima conducibilità elettrica. Ciò ne fa la base ideale per una futura generazione di dispositivi elettronici più piccoli, più potenti e più veloci.

Nel 1965, Gordon Moore, cofondatore di Intel, ipotizzò che il numero di transistor - i più comuni dispositivi elettronici nonché componenti fondamentali dei processori sui chip - sarebbe raddoppiato ogni 24 mesi circa. Questo incremento avrebbe comportato un continuo aumento delle prestazioni dei processori. La legge di Moore, che è ancora valida ai giorni nostri, fu riformulata alla fine degli anni ottanta ed elaborata nella sua forma definitiva: il numero di componenti elettroniche per chip raddoppia ogni 18 mesi.

L’innovazione tecnologica che ha determinato il considerevole incremento delle prestazioni dei computer negli ultimi decenni potrebbe essere alla fine, in parte perché il silicio sta raggiungendo i suoi limiti fisici di scala.

Gli attuali processori per computer a base di silicio possono garantire solo un limitato numero di operazioni al secondo perché gli elettroni nel silicio non possono muoversi abbastanza velocemente. Il grafene potrebbe essere la soluzione ottimale per sviluppare i microprocessori di nuova generazione e superare i limiti della tecnologia al silicio. Costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (cioè con lo spessore di un solo atomo), il grafene dispone anzitutto di proprietà elettroniche uniche, derivanti proprio dalla sua struttura bidimensionale. Il grafene è un materiale ad altissima conducibilità elettrica, il che ne fa la base ideale per una futura generazione di transitor: i dispositivi a base di grafene potrebbero essere molto più piccoli (consentendo di raggiungere i limiti fisici di scala), più potenti e più veloci.

 

Il grafene attualmente è studiato come via alternativa al silicio per la costruzione di transistor. Gli elettroni che si muovono lungo un piano di grafene sono dotati di altissima mobilità (circa 100 volte superiore rispetto al silicio) e consentirebbero la fabbricazione di transistor con una resistenza molto bassa, risultando in un’elevata velocità di operazione del dispositivo.


Inoltre, il grafene è un buon conduttore termico, consentendo al calore eventualmente generato di dissiparsi rapidamente. Grazie a questi e altri fattori (per esempio un’elevata resistenza meccanica), l’elettronica basata sul grafene può funzionare a velocità molto superiori. Le prestazioni del silicio, al momento, non vanno oltre il livello del gigahertz, mentre con il grafene si potranno raggiungere i mille gigahertz. Arrotolando un piano di grafene su se stesso si ottengono i nanotubi di carbonio, le cui proprietà elettroniche derivano da quelle eccellenti del grafene. Questi sono un altro esempio di nanomateriali a base di carbonio, studiati anche questi per applicazioni elettroniche. Per essi la mobilità degli elettroni risulta molto elevata come nel grafene, comportando quindi alte prestazioni dei dispositivi elettronici a base di nanotubi.

 

In Italia le ricerche sull’impiego del grafene nel campo dell’elettronica sono a un livello avanzato di innovazione tecnologica grazie anche al lavoro di gruppi di ricerca quali quello del Dott. Roman Sordan, del Politecnico di Milano, Polo di Como. Questo gruppo ha sviluppato le prime porte logiche (il blocco principale di circuiti digitali nei microprocessori) a base di grafene, il primo circuito integrato a base di grafene e altri dispositivi quali celle di memoria a base di grafene.

 

La possibilità di superare, utilizzando proprio il grafene, i limiti fisici del silicio e quindi di continuare, come previsto da Moore, a miniaturizzare i componenti elettronici, avrà incredibili ricadute in tutti campi riducendo consumi e sprechi a favore di salute e ambiente.

 

 

MA CHE FREDDO FA

Un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Illinois ha scoperto che i transistors al grafene si raffreddano da soli.

I transistor al grafene si raffreddano da soli. La scoperta è stata fatta da un gruppo di ricercatori dell'Università dell'Illinois, osservando gli effetti termoelettrici sui contatti di grafene. Il team ha usato la punta di un microscopio a forza atomica come una sonda, per realizzare le prime misurazioni di temperatura in scala nanometrica di un transistor al grafene funzionante.

I rilevamenti hanno svelato un fenomeno termico nei punti in cui i transistor al grafene toccavano le connessioni in metallo. Gli studiosi hanno così riscontrato che gli effetti di raffreddamento termoelettrico sui contatti in grafene possono essere più forti del riscaldamento resistivo, consentendo la riduzione della temperatura del transistor stesso.

Nel silicio e nella maggioranza dei materiali, il riscaldamento elettronico è molto più elevato dell'auto-raffreddamento. Abbiamo visto che in questi transistor al grafene ci sono regioni dove il raffreddamento termoelettrico può essere superiore rispetto al riscaldamento resistivo, permettendo ai dispositivi di raffreddarsi autonomamente. Finora questo fenomeno non era stato riscontrato nei dispositivi al grafene.

I chip al grafene - oltre a essere più veloci e a richiedere meno energia - potrebbero così richiedere sistemi di raffreddamento meno elaborati o forse non ne avranno addirittura bisogno.

L'elettronica basata sul grafene è ancora allo stadio iniziale, ma le nostre misurazioni e le simulazioni ci dicono che gli effetti termoelettrici potranno migliorare insieme alla tecnologia dei transistor di grafene e dei contatti, ha dichiarato Eric Pop, lo scienziato che insieme a William King ha curato lo studio. 

In futuro, i ricercatori si ripromettono di usare la punta di un microscopio a forza atomica per studiare il riscaldamento e il raffreddamento nei nanotubi al carbonio e altri nano-materiali.

 

IL GRAFENE FA BENE

Un sensore di grafene posizionato sulla superficie dei denti segnala le malattie batteriche. Le nanoplacchette di questo materiale hanno rivelato proprietà antipatogene. Il grafene si sta rivelando un materiale dalle mille applicazioni: tutte utili.

Pensate a tessuti intelligenti che riconoscono le sostanze nocive. Il loro impiego in particolari ambiti di lavoro è evidente. E ancora, materiali per il rilascio controllato di farmaci all'interno del corpo umano, e perfino tester sulla qualità dei capelli naturali per l'extension.Proprio verificando la sicurezza di impiego di questi materiali i ricercatori del nuovo Laboratorio per le Nanotecnologie e le Nanoscienze della Sapienza (SNN-Lab) hanno fatto una scoperta sorprendente: le nanoplacchette di grafene, usate per l'esperimento, non solo non sono dannose alla salute degli esseri viventi, ma sono in grado di contrastare l'azione di batteri, anche patogeni, per l'uomo.I ricercatori hanno infettato il vermetto Caenorhabditis elegans, il più studiato dai genetisti e innocuo abitante del terreno, con un batterio, lo Pseudomonas aeruginosa, patogeno anche per l'uomo. Quindi hanno studiato la localizzazione di nanoparticelle di grafene all'interno del nematode (il vermetto scientificamente si definisce così) dopo l'ingestione. Le nanoparticelle sono risultate prive di tossicità acuta e cronica, dimostrando al contrario una buona capacità antibatterica e migliorando l'"attesa di vita" dei nematodi. Il sistema in vivo impiegato suggerirà ai ricercatori il tipo di controlli da effettuare a un livello successivo di utilizzo pratico sui mammiferi e sull'uomo.
I graphite nanoplatelets (GNPs) sono nanoplacchette costituite da pochi piani di grafene sovrapposti aventi dimensioni laterali di qualche micron e spessori variabili da 1 nm fino alla decina di nanometri. Questi materiali hanno un vasto potenziale di applicazioni che va dalla nano-medicina ai biosensori, a filler per nanocompositi multifunzionali con ottime proprietà meccaniche, termiche ed elettriche/elettromagnetiche. I GNPs sono ottenibili mediante un processo di sintesi, messo a punto* presso il Laboratorio di Nanotecnologie e Nanoscienze della Sapienza, facilmente esportabile su larga scala con costi decisamente contenuti. Negli Stati Uniti invece Michael McAlpine, della Princeton University, ha sviluppato un nuovo tipo di sensore chimico a distanza in grado di trasmettere i messaggi dei... molari segnalando i batteri a livello delle singole cellule utilizzando tecnologia senza fili. Il sensore rappresenta una nuova sinergia tra diversi materiali intelligenti. Questa tecnologia consente la comunicazione wireless con un rilevatore e per la prima volta un dispositivo è stato interfacciato direttamente con il tessuto biologico.
Il sensore è stampato su di una piccola griglia di grafene, a sua volta appoggiato su un sottile strato di seta trasparente. Questo ha agito come una piattaforma da cui partire per trasferire il grafene su una vasta gamma di supporti (denti, ma anche tessuti molli). Dopo aver posizionato il dispositivo di seta-grafene sul dente, l'area è stata risciacquata con acqua, sciogliendo il supporto di seta lasciando il circuito ultra-sottile in posizione. Le straordinarie proprietà del grafene hanno garantito che il materiale aderisse fortemente alla superficie. Il passo successivo è stato quello di attaccare peptidi bifunzionali allo strato basale di grafene. Successivamente è stata impiegata una proteina antimicrobica (AMP), che ha una forte affinità per i tre più importanti ceppi batterici. Quando i batteri si legano alla proteina il sensore, interrogato tramite un antenna esterna, indica le concentrazioni batteriche. La scoperta è importante per individuare e combattere tempestivamente le concentrazioni perfino al livello della singola cellula e in ciò la flessibilità e la natura non tossica del grafene gioca un ruolo importante per le prospettive future.
*Il lavoro è nato dalla collaborazione tra i gruppi coordinati da Claudio Palleschi del dipartimento di Biologia e Biotecnologie "Charles Darwin", M. Sabrina Sarto del dipartimento di Ingegneria Astronautica, Elettrica ed Energetica e responsabile del Laboratorio e da Maria L. Santarelli del dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali e Ambiente, afferenti al Centro di Ricerca per le Nanotecnologie applicate all'Ingegneria della Sapienza (CNIS).

SICURAMENTE... NANO

Davanti all'infinitamente grande abbiamo certamente timore. Ma anche l'infinitamente piccolo ci fa una certa paura. Del resto è più facile prendersi un microscopico virus che avere a che fare con un meteorite. Per questo le nanotecnologie suscitano qualche diffidenza, ma è bene sapere che si lavora attivamente alle procedure di controllo. Lo sapevate che anche gli spazzolini da denti potrebbero essere nano tecnologici?


Perché è importante seguire i progressi delle nanotecnologie? Perché, solo per fare un esempio, così come un piccolo batterio può entrare nel nostro organismo, altrettanto in futuro potranno fare i nano farmaci o, per essere un po' più frivoli, le nano creme cosmetiche. Le applicazioni delle metodologie nano tecnologiche sono vastissime: dalle gomme per auto e biciclette, ai tessuti, alla depurazione delle acque e via elencando. Quindi è bene saperne di più, specie per placare timori e pregiudizi sugli impieghi futuri, anche a costo di avere a che fare con qualche numero complicato.

Nelle sedi internazionali, e in quelle europee in particolare, si lavora per aggiornare e rivedere via via che la ricerca scientifica procede anche i protocolli e le definizioni. Quella che segue è la definizione attualmente in vigore che durerà fino al 2014. Le nanotecnologie sono sistemi innovativi di manipolazione e controllo della materia su scala nanometrica per produrre nuovi materiali, strutture e componenti: i nanomateriali. La Raccomandazione del 18 ottobre 2011 della Commissione Europea li definisce come "componenti con dimensioni comprese fra 1 e 100 miliardesimi di metro." Il nanometro (nm) è infatti l'unità di misura di lunghezza corrispondente a un miliardesimo di metro, pari ad un milionesimo di millimetro (in passato denominato millimicron), Più in generale nano è un prefisso che moltiplica per un fattore 10-9 l'unità di misura a cui è applicato (equivalente a dividere per un miliardo).

I nanomateriali sono materiali naturali, accessori o artificiali sotto forma di particelle, in stato libero o sotto forma di aggregato o di agglomerato e nel quale, almeno il 50% di tali particelle nella classe di distribuzione numerica possiede una o più dimensioni esterne nella classe di grandezza 1-100 nm. La definizione adottata si basa dunque su un approccio che tiene conto delle dimensioni delle particelle che costituiscono il materiale, piuttosto che del rischio associato.

Come abbiamo detto, la definizione sarà riesaminata nel 2014 alla luce dei progressi tecnici e scientifici nonché delle consultazioni ad oggi ancora in corso in sede dei gruppi europei istituiti ad hoc.
Nel frattempo la definizione in vigore si rivolge a tutte le parti interessate, governi, cittadini ed associazioni industriali, per fare chiarezza nella molteplicità di definizioni attualmente in uso nei diversi settori.
Essa, infatti, garantisce un orientamento omogeneo  nell'applicazione di norme idonee in materia di salute, sicurezza chimico-fisica e biologica dei lavoratori, presenti in tutta la filiera produttiva e distributiva delle nanotecnologie e degli utilizzatori finali, intesi come consumatori e operatori sanitari compresi.
Così gli Stati membri dell'Unione europea possono valutare in modo armonizzato e chiaro quali materiali necessitino di un eventuale trattamento specifico mediante un'apposita legislazione, a integrazione di quella preesistente mentre d'altra parte l'industria può ricevere un quadro normativo coerente, oltre a una più accurata informazione dei consumatori.


VALUTAZIONE DEI RISCHI

Per il Ministero della Salute in termini di benessere e sicurezza dei lavoratori sono da intendersi come nanomateriali quelli prodotti intenzionalmente in laboratorio o a livello industriale, escludendo, dunque, tutto il particolato che esiste in natura e tutto quello che è prodotto casualmente dall'uomo.
In tal senso la produzione dei nanomateriali può essere top-down, (dal blocco massiccio di materiale detto bulk per ottenere il corrispettivo alla nanoscala e nella configurazione desiderata) oppure bottom-up (cioè per assemblaggio di sub-unità più piccole al fine di ottenere il corrispettivo per procedimenti simili alla sintesi chimica). Nel settore della biologia, biomedicina e chimica si usa per lo più questo ultimo tipo di procedimento produttivo.

In generale conoscere la tecnica di produzione è importante per i lavoratori coinvolti in tutta la filiera produttiva, compreso smaltimento e/o riciclaggio, perché a seconda della tecnica utilizzata, cambia l'eventuale rischio associato al nano materiale e alla nanotecnologia.

Per la stessa ragione è importante conoscere la nanotecnologia nella sua applicazione come prodotto finito nelle caratteristiche chimico-fisiche e nelle eventuali proprietà biologiche, nonché modalità e destinazione d'uso, per potere azzerare quanto più possibile l'insorgenza di incidenti o inconvenienti associati.
Presupposto necessario per una valutazione efficace dei rischi dunque, è conoscere in tutti i casi le proprietà chimico-fisiche e biologiche dei nanomateriali, cioè la struttura, il peso molecolare, la composizione, la reattività, la stabilità, il grado di purezza, la variabilità del prodotto, la solubilità, la distribuzione dimensionale delle nano particelle, lo stato di dispersione/agglomerazione, eccetera.
E' per questo che la Commissione Europea ha invitato i vari Stati membri ad avere un approccio responsabile nello sviluppo delle attività correlate a nano materiali e nanotecnologie e di operare nel rispetto del "principio cautelativo", cioè di applicare il livello più alto di protezione in ogni specifico settore produttivo e di utilizzo in attesa diegli ulteriori sviluppi nelle conoscenze nano-scientifiche.

COSA SI FA

In base a questa politica comunitaria la Direzione generale dei Dispositivi medici, del Servizio Farmaceutico e della Sicurezza delle cure del Ministero della Salute ha svolto consultazioni con il gruppo Nano-Reach della Direzione della Prevenzione e ha rafforzato lo studio di settore, promovendo la nascita di un network nazionale per le nanotecnologie di natura scientifica e presso l'I.S.S. (Istituto Superiore di Sanità), con il compito di raccordare gli scambi e le risultanze della ricerca sui nanomateriali e le nanotecnologie italiane. Ha intensificato anche la comunicazione con le associazioni industriali di categoria, in particolare con AIRI/ Nanotec IT (Centro Italiano per le Nanotecnologie) partecipando alla stesura del CodeMeter (Codice di condotta nel settore della ricerca per uno sviluppo responsabile), ed Unipro (Associazione Italiana delle Imprese Cosmetiche).


IL NANOARGENTO

Come si vede il problema non è sottovalutato, né sottostimato. Per fare un esempio concreto prendiamo il nanoargento.
L'argento presente in natura è riconosciuto come una delle sostanze maggiormente antibiotiche della storia umana. L'argento è un elemento presente in natura. È anti-tossico e anti-allergico, tanto che tutti conosciamo gli spazzolini da denti con la testina arricchita da questo elemento. L'argento ha un potente antibiotico e funziona come preventore naturale contro le infezioni perché combatte virus ed i funghi, che hanno bisogno di metabolizzare il loro ossigeno. Qualche curiosità?

Gli antichi immagazzinavano l'acqua in recipienti d'argento, gli alchimisti lo associavano alla luna e lo tenevano in gran conto, gli immigrati d'America mettevano una moneta d'argento nei contenitori del latte. La chiesa cattolica utilizza i calici d'argento per distribuire la comunione.
Per valutare le possibilità offerte da questo materiale è iniziato a giugno il progetto Nanotox: Toxicology of chronic exposure to engineered silver nanoparticles, parzialmente finanziato con bandi di Fondazione Cariplo e dedicato all'analisi dell'impatto sulla salute dell'uomo del nanoargento.
Il progetto avrà una durata di due anni e vede coinvolto un team multidisciplinare, tra cui il Centro Interfacce e materiali nanostrutturati dell'Università di Milano (coordinatore), il Dipartimento di Farmacologia, Chemioterapia e Tossicologia medica e il Dipartimento di Patologia Animale, Igiene e Sanità Pubblica Veterinaria sempre afferenti all'Università di Milano, la Fondazione Humanitas, la Fondazione Filarete ed AIRI/Nanotec IT. Come si vede un team importante per valutare una strada che potrebbe avere grandi implicazioni in settori che ci riguardano da vicino come prodotti per l'igiene, cosmetici, prodotti medicali, tessili, plastici, elettronici, edilizi, vernici, confezioni per alimenti, carta, prodotti per l'ambiente e perfino la bonifica dei campi da... golf.

Per non trascurare nulla il Ministero della Salute sta avviando anche il censimento dei nanomateriali nei cosmetici per raccogliere informazioni sulla produzione di cosmetici contenenti nanomateriali a livello nazionale. L'iniziativa, su indirizzo della Commissione Europea, si pone l'obiettivo di valutare il livello di utilizzo dei nanomateriali, le prassi e le metodologie per la gestione e la valutazione degli aspetti di sicurezza a essi collegati in questo ampio comparto.Come si vede la ricerca continua, i controlli anche. L'importante è informarsi per conoscere il più possibile quanto sta entrando nelle nostre vite (e in questo caso non è così facile da vedere a occhio nudo).

GRAFENE, UNA FISARMONICA CATTURA-IDROGENO CHE SUONA PER LA SOSTENIBILITA'
I ricercatori dell'Istituto Nanoscienze del CNR mostrano come, controllando il corrugamento di uno strato di grafene, si possa indurre la cattura e il rilascio di atomi di idrogeno.

L’idrogeno, principale candidato come combustibile delle future celle “pulite” ed efficienti, potrebbe essere facilmente ed economicamente immagazzinato e rilasciato proprio grazie a un foglio di grafene.

I ricercatori dell'Istituto Nanoscienze del CNR - Consiglio Nazionale delle Ricerche - hanno infatti mostrato, attraverso simulazioni computerizzate e calcoli teorici, come uno strato dell’innovativo materiale piegato a fisarmonica, o se preferite corrugato come una catena montuosa, attragga chimicamente gli atomi di idrogeno alle creste createsi grazie alla compressione esercitata lateralmente.

«L'idrogeno ha una forte affinità per le zone convesse del grafene e molto poca per quelle concave - spiega Valentia Tozzini, del laboratorio Nest dell'Istituto Nanoscienze del Cnr e Scuola Normale Superiore di Pisa - questo accade perché l'energia del legame è proporzionale alla curvatura del reticolo atomico».

Tale fenomeno rende anche possibile l’induzione controllata del rilascio dell’idrogeno. In che modo? Semplicemente spostando ad hoc l’increspatura, come un'onda che procede: le sommità si muovono, l’idrogeno si ritrova nelle zone concave in cui l’adesione è sfavorita e gli atomi catturati in precedenza tornano in libertà. Per capire meglio, guarda il video dell’Istituto Nanoscienze su grafene e idrogeno.

L’effetto, sottolinea la studiosa – che ha pubblicato con il collega Vittorio Pellegrini i risultati di questo lavoro sul Journal of Physical Chemistry - è simile a quello ottenuto quando si sbatte un tappeto per rimuovere la polvere. Qui il nostro tappeto è rappresentato dal grafene, la polvere proprio dall’idrogeno.

La scoperta è particolarmente rilevante proprio perché una delle principali sfide legate all’utilizzo dell’idrogeno come combustibile a basso impatto ambientale riguarda il suo stoccaggio in dispositivi di immagazzinamento e il successivo rilascio per la produzione di elettricità che attualmente richiede temperature e pressioni molto elevate e un alto dispendio energetico.

L’innovativa soluzione potrebbe essere alla base dello sviluppo di batterie a idrogeno leggere e compatte per future automobili, biciclette ma anche dispositivi elettronici come pc e cellulari amici dell’ambiente.

 

CAMPO MAGNETICO: UNA RAGNATELA DI GRAFENE LO MISURA 100 VOLTE MEGLIO
In arrivo un dispositivo in grado di misurare il campo magnetico con la precisione di una singola molecola e che potrebbe avere applicazioni nella realizzazione di memorie ad alta densità e di sensori molecolari. Lo studio sulla rivista Nano Letters.

Grafene come una ragnatela in grado di catturare singole molecole magnetiche e di misurare il campo da esse generato con una precisione mai ottenuta in precedenza, addirittura 100 volte superiore al record di sensibilità. La scoperta arriva dai ricercatori dell'Istituto di nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr), in collaborazione con i colleghi del Cnrs di Grenoble e del Karlsruhe Institute of Technology.

Per mettere a punto il dispositivo di misurazione, gli esperti hanno depositato delle molecole magnetiche su uno strato di grafene: l’innovativo materiale si è mostrato in grado di intercettare il flusso magnetico di una singola molecola e di produrre un segnale elettrico al momento dell’inversione di polarità della stessa.

Un risultato che arriva dopo 3 anni di ricerca, sottolinea Marco Affronte del Centro S3 dell'Istituto nanoscienze del Cnr di Modena e coautore con Andrea Candini dello studio pubblicato sulla rivista internazionale Nano Letters: «Prima sono state progettate le molecole più adatte per potersi innestare sulla struttura esagonale del grafene, poi si è passati alla messa a punto la lavorazione del foglio di grafene, fino a ottenere un dispositivo di appena 10 nanometri di lato. Infine le misure magnetiche, che hanno richiesto temperature prossime allo zero assoluto per rilevare soltanto i segnali del grafene e delle molecole e limitare il rumore».

Quali le applicazioni della scoperta? Per i ricercatori questo traguardo segna un importante passo avanti nel campo della spintronica – cioè dell'elettronica potenziata dalla componente magnetica, lo spin – e potrebbe essere alla base della realizzazione di memorie ad alta densità.

Le molecole magnetiche sono infatti una sorta di nano-calamite di pochi miliardesimi di metro, spiega Candini, e possono funzionare come le più piccole unità in cui registrare un bit di informazione. La combinazione di grafene e molecole magnetiche da vita quindi a un dispositivo di registrazione delle informazioni che si comporta come una valvola magnetica simile a quelle utilizzate nelle testine degli hard disk oggi in commercio, ma con dimensioni ridottissime e in grado di leggere unità magnetiche su scala molecolare.

E le possibili declinazioni non si fermano qui. Secondo Affronte si possono prevedere anche applicazioni nel campo dei sensori di molecole biologiche marcate con una molecola magnetica, per migliorare le prestazioni dei cosiddetti “lab-on-a-chip” (dispositivi che integrano una o più funzioni di laboratorio su un singolo chip di dimensioni variabili dal 1 millimetro al paio di centimetri quadrati).

SICUREZZA: IN ARRIVO I RIVOLUZIONARI SCANNER AL GRAFENE

Realizzati i primi sensori al grafene che operano nello spettro dei terahertz, più potenti delle tecnologie in uso e anche più sicuri per la salute. Lo studio relativo, a firma Cnr-Nano, è pubblicato su Nature Materials.

Nuovi sensori che sfruttano il grafene per rivelare onde a frequenza molto elevata (onde terahertz) , già operativi per applicazioni nel campo della sicurezza e dei controlli di qualità. È l’innovazione descritta sulla rivista Nature Materials a firma dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano), in collaborazione con le Università di Cambridge e Montpellier.

Quali le proprietà utili del grafene in questo processo? «Nel reticolo del grafene gli elettroni sono in grado di muoversi con velocità estremamente elevate – spiega Vittorio Pellegrini, autore dello studio insieme ad Alessandro Tredicucci, Miriam Vitiello, Marco Polini e Leonardo Vicarelli del laboratorio Nest di Cnr-Nano e Scuola Normale di Pisa – di conseguenza il materiale risponde in modo molto efficiente quando i suoi elettroni sono investiti da radiazione elettromagnetica, in particolare nello strategico intervallo di frequenze dei terahertz. Abbiamo sfruttato questa “marcia in più” per ottenere rivelatori con prestazioni potenzialmente superiori alle tecnologie attuali».

Le onde terahertz - una radiazione elettromagnetica di frequenza di poco superiore alle microonde - sono infatti ideali per applicazioni nei controlli di sicurezza su passeggeri e nei controlli di qualità all’interno dei processi industriali, perché penetrano vestiti, bagagli, scatole e imballaggi in maniera più precisa, senza alterare l’oggetto o la persona “fotografati” e quindi senza rischi per la salute.

Di fatto, però, lo sfruttamento commerciale di tali onde, per esempio per la realizzazione di body scanner o di dispositivi per controlli alimentari non distruttivi, è ancora limitato a causa di tecnologie in uso non abbastanza sensibili o veloci, o che richiedono temperature bassissime, commenta Pellegrini.

I nuovi sensori del Cnr-Nano, invece, possono operare velocemente su scala macroscopica, a temperatura ambiente, e sono già pronti per dar vita a dispositivi più potenti e sicuri: la funzionalità del sistema è stata testata dagli esperti con esito positivo su una confezione di cartone contenente capsule di caffè. La “radiografia” è risultata chiara, l’immagine prodotta mostrava in alta risoluzione sia le capsule che gli spazi vuoti (vedi foto).

Per saperne di più, guardare la videointervista all'autore dello studio Vittorio Pellegrini, realizzata da Triwu.

NANO-SIMULATORI ISPIRATI AL GRAFENE: UNA FINESTRA SUL MONDO QUANTISTICO
Dalla collaborazione tra il laboratorio Nest dell’Istituto nanoscienze del Cnr e la Columbia University, nasce un prototipo di simulatore che replica la struttura del grafene e apre la strada a una nuova classe di nano-dispositivi in grado di sondare il mondo quantistico. Lo studio è pubblicato su Science.

Per indagare i fenomeni quantistici, quelli che descrivono il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica nel piccolissimo - a scale di lunghezza inferiori a quelle dell'atomo o a energie nella scala delle interazioni interatomiche - i fisici usano appositi simulatori costruiti ad hoc che permettono di analizzare meccanismi non calcolabili in condizioni reali.

Per spiegare, quindi, i particolari comportamenti degli elettroni all’interno di un reticolo di grafene, materiale dalle sorprendenti proprietà elettroniche, i ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) e della Columbia University, in collaborazione con le Università di Nimega, Missouri e Princeton, hanno realizzato un nano-dispositivo, all’interno di un cristallo semiconduttore di Arseniuro di Gallio, che riproduce esattamente la struttura di uno strato di grafene.

Questo dispositivo artificiale permette agli studiosi di alterare in maniera pilotata alcuni parametri chiave e di analizzare le interazioni tra elettroni.

«Fenomeni come la superconduttività ad alta temperatura, certi tipi di ferromagnetismo e stati “esotici” della materia come i liquidi di spin, sono l'effetto delle mutue interazioni quantistiche tra gli elettroni - spiega Marco Polini, del laboratorio Nest e Scuola normale superiore di Pisa, che ha condotto la ricerca pubblicata su Science insieme al collega Vittorio Pellegrini e ad Aron Pinczuk della Columbia University -Calcolare in modo esatto il comportamento di tali sistemi complessi è un compito impossibile anche per i più potenti e dedicati computer. I simulatori quantistici permettono di aggirare il problema, imitando il sistema quantistico “incalcolabile” con uno artificiale e controllabile che ne riproduce la dinamica».

La prima fase di test ha messo in luce risultati promettenti, ora i ricercatori vogliono sviluppare ulteriormente le potenzialità del dispositivo per arrivare a esplorare nuovi stati quantistici che potrebbero, in futuro, portare ad applicazioni, per esempio, nel campo dell'elaborazione avanzata d’informazione o nella crittografia.

FILTRI AL GRAFENE PER RENDERE POTABILE L’ACQUA DI MARE IN MODO EFFICACE ED ECONOMICO
I ricercatori del MIT - Massachusetts Institute of Technology - hanno messo a punto, grazie al grafene, una nuova tecnologia che abbatte i costi economici ed energetici dei processi di desalinizzazione e purificazione delle acque. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nano Letters.

Filtri sottilissimi di grafene in grado di desalinizzare e purificare l’acqua del mare in maniera molto più efficace, economica ed eco-sostenibile rispetto alle tecnologie attualmente in uso. È la rivoluzione che arriva dai laboratori del MIT - Massachusetts Institute of Technology – di Boston e che potrebbe contribuire significativamente ad ampliare la disponibilità di acqua potabile nelle zone del Pianeta in cui questa preziosa risorsa scarseggia.

I sistemi usati finora a tal scopo sono troppo dispendiosi, sia a livello economico che energetico, per un utilizzo diffuso. Ecco che allora i ricercatori del MIT, guidati da David Cohen-Tanugi e Jeffrey Grossman, hanno cercato di migliorare il processo di desalinizzazione, concentrandosi sui materiali.

Il metodo comune di desalinizzazione dell’acqua, chiamato di osmosi inversa, utilizza infatti membrane di filtraggio per isolare i sali piuttosto spesse: per forzare l’acqua attraverso queste “pareti” è necessaria quindi una pressione estremamente alta con conseguente grande dispendio di energia.

L’innovativo sistema proposto da Grossman e Cohen-Tanugi, basato sul filtraggio dell’acqua attraverso i nano-pori nel grafene, argina questo problema. Il grafene è infatti 1000 volte più sottile dei materiali usati finora e lavora, a pari pressione, centinaia di volte più velocemente, afferma David Cohen-Tanugi. In alternativa, fornisce prestazioni simili a quelle dei sistemi attuali ma a pressione nettamente inferiore, abbattendo di gran lunga, sottolineano gli autori, il costo economico ed energetico del processo.

Per approfondire l’argomento, leggere il pdf dello studio pubblicato sulla rivista Nano Letters

 

DNA: IL GRAFENE POTREBBE MIGLIORARE IL PROCESSO DI SEQUENZIAMENTO

Strati di grafene dello spessore di un atomo possono contribuire a rendere il sequenziamento del Dna umano più veloce ed economico. Lo studio dei ricercatori della Harvard University e del MIT - Massachusetts Institute of Technology - pubblicato su Nature.

Strati di grafene dello spessore di un atomo possono contribuire a rendere il sequenziamento del Dna umano più veloce ed economico. E’ quanto emerge da uno studio realizzato da un team di ricercatori della Harvard University e del MIT - Massachusetts Institute of Technology - pubblicato sulla rivista Nature.

Infatti, le tecniche attualmente usate per questa operazione - si legge sulla MIT Technology Review - richiedono diversi giorni e decine di migliaia di dollari. Il nuovo metodo di sequenziamento al grafene, invece, sfruttando la tecnica dei nanopori, potrebbe consentire di analizzare un intero genoma in poche ore.

Andiamo con ordine. Il sequenziamento del Dna con la tecnica dei nanopori funziona così: si fa passare un filamento di Dna attraverso un foro praticato su una membrana generalmente sospesa in soluzione salina a cui viene applicata una tensione. Gli ioni si spostano da un lato all’altro della membrana, creando corrente elettrica: al passaggio di ciascuna delle 4 basi azotate attraverso il poro, l’intensità di corrente varia in misura diversa e proprio tali variazioni – se opportunamente registrate – potrebbero rendere possibile il puntuale riconoscimento dei nucleotidi.

Il processo ha però un limite che, grazie al grafene, verrebbe superato. I nanopori studiati finora sono incisi su membrane spesse dai 20 ai 30 nanometri, e questo significa - poiché la distanza tra 2 basi è di 0,5 nanometri – che durante il procedimento passano dall’apertura 40-60 basi per volta, impedendo un’identificazione accurata. La membrana di grafene, spessa solo 1 nanometro, è «la più sottile che sia mai stata applicata per risolvere questo problema» sottolinea Jene Golovchenko, professore di fisica ad Harvard, a capo della ricerca.

Per testare l’innovativo materiale, i ricercatori hanno creato la loro membrana ponendo uno strato di grafene su un’apertura larga 200 nanometri praticata su una superficie di nitruro di silicio. Poi hanno realizzato un foro di pochi nanometri nel grafene, usando un fascio elettronico. La membrana è stata infine immersa in una soluzione salina a contatto con elettrodi d’argento. A questo punto gli studiosi hanno osservato variazioni di corrente al momento del passaggio del filamento attraverso il poro, dimostrando che il metodo potrebbe essere valido per identificare il Dna.

Un passo avanti di notevole importanza, su cui però c’è ancora molto da lavorare, affermano gli esperti. Nello studio, infatti - sottolinea John Kasianowicz, biofisico presso il National Institute of Standards and Technology e inventore del sequenziamento con nanopori – si descrive come ciascuna molecola di Dna, contenente migliaia di basi, passi attraverso il poro, molto velocemente, in centinaia di microsecondi (circa 4 nanosecondi per base). Per leggere ogni singola base, invece, il filamento dovrebbe restare nel poro 1000 volte più a lungo.

Ecco allora che, per essere in grado di sequenziare un filamento di Dna, si dovrebbe saper controllare il suo flusso attraverso la membrana e rallentarlo. Un ostacolo ancora da superare.

Fonte: MIT Technology Review

L’EUROPA SPALANCA LE PORTE ALL’ERA DEL GRAFENE

Lanciato un progetto europeo dedicato all’innovazione basata sul grafene. Dieci anni di ricerche e 1 miliardo di investimento per sviluppare appieno tutte le potenzialità del “materiale delle meraviglie”, come molti lo hanno già definito. Ne abbiamo parlato con Vincenzo Palermo, responsabile del Laboratorio di Nanochimica dell’istituto ISOF del CNR di Bologna e coordinatore di una attività di questo ambizioso programma.

L’Europa scommette sulla scoperta del secolo: il grafene. La Comunità europea ha infatti lanciato a Bruxelles il progetto Flagship Graphene che si propone - grazie a un finanziamento di un miliardo di euro per 10 anni di ricerche - di sviluppare appieno tutte le potenzialità di questo materiale e di rivoluzionare il futuro tecnologico del continente. (Guarda un video che spiega il progetto in breve).

La portata dell’evento non ha precedenti: «Graphene è il più ambizioso programma di ricerca congiunto mai messo in campo dalla Comunità Europea: coinvolge 126 gruppi di ricerca tra enti, università e industrie in 17 paesi. Le attività, suddivise in 15 aree strategiche, seguiranno una roadmap che porterà il grafene dai laboratori di ricerca alla vita di tutti i giorni con applicazioni in elettronica, ottica, dispositivi flessibili, fino ai materiali compositi e alle batterie di nuova concezione» evidenzia Luigi Ambrosio, direttore del dipartimento Scienze chimiche e tecnologie dei materiali del Cnr, Consiglio Nazionale delle Ricerche.

Tra i capofila del progetto anche il Cnr che, all’interno del programma, coordinerà due attività strategiche: una relativa allo sviluppo di sistemi per applicazioni energetiche, guidata da Vittorio Pellegrini dell'Istituto nanoscienze del Cnr, l’altra sui materiali compositi, coordinata da Vincenzo Palermo, responsabile del Laboratorio di Nanochimica dell’istituto ISOF del CNR di Bologna. Proprio Vincenzo Palermo ha commentato per noi gli scenari che questa opportunità apre all’Europa. Guarda la nostra video intervista.

Scarica il pdf per conoscere tutti i gruppi di ricerca, Italiani e stranieri, che prendono parte al programma.

DALLE FOGLIE DI LOTO AL NANOMATERIALE IN GRAFENE PER L’INDUSTRIA DEL FUTURO
Un team internazionale di ricercatori, provenienti dall’Università di Trento, dalla Duke University e dal MIT - Massachusetts Institute of Technology, ha realizzato in laboratorio un innovativo nanomateriale a base di grafene ispirato alle foglie di loto che può essere usato in svariati ambiti industriali, dall’elettronica flessibile alla nanomedicina. Lo studio è disponibile sulla rivista Nature Materials.

Spesso la ricerca scientifica prende spunto dalla natura per compiere i suoi passi più promettenti. Recentemente, per esempio, un team internazionale di ricercatori ha cercato di creare in laboratorio, lavorando con il grafene, un nanomateriale che riproducesse una delle più sorprendenti e utili caratteristiche dei fiori di loto.

Le foglie del loto, infatti – grazie alla loro particolare struttura – sono fortemente idrofobe, fanno quindi scivolare via l’acqua fangosa dei fiumi e dei laghi in cui vivono, permettendo alla pianta di restare costantemente asciutta, protetta e pulita.

Questa qualità, che rende il loto simbolo di purezza in molti paesi orientali, è anche fortemente richiesta in diversi ambiti industriali, dall’elettronica flessibile e trasparente di prossima generazione fino alla nanomedicina.

Il loto, tuttavia - e qui sorge il problema che la scienza si è impegnata ad affrontare – non presenta una idrorepellenza controllabile.

La sfida degli studiosi – provenienti dalla nostra Università di Trento, dalla Duke University e dal MIT - Massachusetts Institute of Technology - è stata quindi quella di realizzare una foglia artificiale simile a quella naturale ma con caratteristiche governabili e modificabili in laboratorio. Obiettivo: generare una superficie multifunzionale e intelligente, adattabile alle applicazioni più diverse.

La chiave del successo era nascosta in un foglio di grafene, materiale che, grazie alla sua speciale struttura, può riprodurre le caratteristiche di idrorepellenza della foglia di loto in maniera controllata, quindi “all’occorrenza”. A seconda della sua conformazione, infatti, riesce ad attrarre fortemente l’acqua o a respingerla.

Per ottenere questo risultato i ricercatori - dopo calcoli di nanomeccanica e simulazioni atomistiche - hanno fatto aderire uno strato di grafene “stropicciato” a una superficie estremamente cedevole di materiale polimerico; hanno poi applicato una tensione meccanica al substrato: il grafene ha così cambiato forma, passando da corrugato a liscio. Proprio questo effetto “distensivo” ha consentito all’innovativo prodotto di mutare la sua condizione, da superidrofoba a idrofila.

«La foglia artificiale che abbiamo creato – spiega Nicola Pugno, ordinario di Scienza delle Costruzioni al Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell’Università di Trento e coordinatore dello studio – è anche conduttiva e conserva la possibilità di deformazioni estreme senza rottura. Una caratteristica fondamentale, per esempio, per lo sviluppo di sistemi elettronici flessibili di prossima generazione. In più la foglia realizzata è trasparente, con trasparenza anch’essa controllabile. Questo comportamento multifunzionale intelligente è reversibile grazie alla robustezza del sistema, che quindi rimane funzionante per moltissimi cicli. Le applicazioni possono essere molteplici, anche grazie alla dimensione macroscopica del sistema. Per dare un’idea delle potenzialità di questa scoperta, è già stato realizzato come esempio un muscolo artificiale».

Lo studio è disponibile sulla rivista Nature Materials.

GRAFENE SUPER-ELASTICO ISPIRATO AI TAPPI DI SUGHERO

Un team di ricercatori della Monash University di Melbourne ha scoperto che, prendendo spunto dalla struttura dei tappi di sughero, si può creare un blocco tridimensionale di grafene estremamente elastico, in grado di tornare delle sue dimensioni originali dopo essere stato fortemente compresso.

Per creare un blocco di grafene sorprendentemente elastico e resistente, la scienza si è ispirata ai tappi di dello spumante.

Un team di ricercatori della Monash University di Melbourne è rimasto infatti affascinato dalla grande deformabilità del sughero e ha cercato di riprodurre, utilizzando il grafene, la struttura a nido d'ape che lo contraddistingue per ottenere prestazioni ancor migliori.

L'operazione non è risultata semplice perché il grafene, che nella sua struttura bidimensionale è estremamente flessibile e robusto, non appena si "inspessisce" - cioè quando ne vengono impilati più strati per creare un materiale tridimensionale - diventa fragile e inadatto all'uso.

Gli studiosi, allora, per superare il problema, hanno disciolto in acqua e poi congelato l'ossido di grafene, materiale stratificato fortemente idrofilo ottenuto dall'ossidazione della grafite. A questo punto, i cristalli di ghiaccio formatisi con la bassa temperatura hanno modellato il materiale proprio a forma di alveare.

Quando successivamente l'acqua è stata rimossa, la struttura risultante era simile a quella di un tappo di sughero e presentava una capacità elastica notevole. I ricercatori hanno infatti osservato che il blocco tridimensionale creato era in grado di tornare delle sue dimensioni originali dopo essere stato fortemente compresso e ridotto dell'80% rispetto al suo volume di partenza.

UN SARTO CHIAMATO GRAFENE: IL MATERIALE SI AUTO-RICUCE UNA VOLTA BUCATO

 La nuova sorprendente proprietà del grafene è stata rivelata da Konstantin Novoselov e da alcuni suoi colleghi della Manchester University. La scoperta è riportata sulla MIT Technology Review.


Il grafene, tra le sue innumerevoli qualità, annovera anche quella di riuscire a ricucirsi da solo una volta danneggiato. Si auto-rigenera esattamente come la nostra pelle in seguito a una lacerazione.

La sensazionale scoperta è stata effettuata dagli scienziati della Manchester University - capitanati da Konstantin Novoselov, già premio Nobel per la fisica grazie ai suoi studi sul grafene - nel corso di una serie di esperimenti che volevano testare i comportamenti del materiale (fortemente interattivo), in relazione ad altri elementi.

I ricercatori avevano operato dei fori su uno strato di grafene, usando un fascio elettronico. In seguito erano passati ad aggiungere, vicino alle zone "colpite", qualche atomo metallico - nichel e palladio per la precisione - in grado di favorire la dissociazione dei legami tra gli atomi di carbonio (di cui, ricordiamo, è costituito il grafene). Hanno così scoperto che la dimensione dei buchi dipendeva dal numero di atomi metallici; aggiungendone di più si rendevano stabili dei fori più grandi.

A questo punto si è verificato un evento singolare: i ricercatori hanno sperimentato l'inserimento di altri atomi di carbonio vicino ai fori – come si legge sulla MIT Technology Review - e osservato che, in questo modo, gli atomi metallici venivano spazzati via mentre il buco si "auto-ricuciva".

La struttura dell'area riparata, ha poi riscontrato Novoselov, dipendeva dalla forma del carbonio aggiunto: nella sua forma pura, infatti, l'elemento permette una ricucitura perfetta e restituisce uno strato di grafene incontaminato. Se invece era inserito sottoforma di idrocarburo (composto organico che contiene, oltre al carbonio, anche l'idrogeno), la riparazione risultava imperfetta, perché deformata dalla nuova presenza, all'interno della trama, di atomi "estranei" (l'idrogeno).

La scoperta è particolarmente importante, non solo perché si presta a far correre la fantasia verso scenari tecnologici a dir poco fantascientifici, ma anche e soprattutto perché suggerisce un modo per "accrescere" il grafene in qualsiasi sua forma, con la sapiente aggiunta di atomi di metallo e di carbonio. Fenomeno assolutamente non scontato: la scienza, infatti, non ha ancora capito come ottenere il grafene in grandi e stabili quantità o come plasmarlo nelle forme necessarie per realizzare i dispositivi del futuro, soprattutto a causa della sua grande reattività ad altri atomi e composti che, come abbiamo visto, possono alterare e destabilizzare la sua struttura molto facilmente.

La sfida è aperta. Ora occorre capire quanto velocemente possano avvenire questi processi e se si riuscirà a controllarli in maniera sufficientemente precisa e affidabile.

IL GRAFENE PERFETTO ESISTE ED E’ RACCHIUSO NELLA MINA DI UNA MATITA

Nella grafite, il minerale da cui si ottengono le mine delle matite, esistono cristalli di grafene purissimo, molto più regolare e uniforme di quello realizzabile in laboratorio. La scoperta è frutto della collaborazione tra il laboratorio Nest dell’Istituto Nanoscienze del Cnr di Pisa e la Columbia University. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Nella grafite - il minerale da cui si ottiene la mina delle matite - esistono cristalli di grafene purissimo, molto più regolari e uniformi di quelli realizzabili in laboratorio. La scoperta, frutto della collaborazione tra i ricercatori del laboratorio Nest dell’Istituto Nanoscienze del Cnr di Pisa e i colleghi della Columbia University, è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.

Analizzando un blocco di grafite con tecniche di microscopia laser, il team italo-americano guidato da Sarah Goler e Vittorio Pellegrini del laboratorio Nest ha infatti individuato questi particolari cristalli, immersi ma disaccoppiati dal minerale.

Perché si tratta di un risultato importante? È presto detto. Il grafene, oltre a rappresentare il futuro dell’innovazione tecnologica, è anche un laboratorio unico per gli studi di fisica fondamentale: nel suo reticolo bidimensionale si combinano meccanica quantistica e relatività e si manifestano fenomeni altrimenti osservabili solo nelle condizioni estreme ricreate con gli acceleratori di particelle.

Per studiare la fisica nel grafene, tuttavia, i ricercatori hanno bisogno di campioni di materiale estremamente puro, senza irregolarità che possano “disturbare” i fenomeni oggetto di analisi. Per questo i fisici di tutto il mondo sono impegnati a produrre artificialmente, con tecniche diverse, fogli di grafene di elevata qualità.

Aver trovato cristalli con un grado di imperfezione e disomogeneità nettamente inferiore a quello dei campioni prodotti in laboratorio permette dunque alla scienza di aprire nuove finestre di comprensione sul comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica nel piccolissimo, a scale di lunghezza e di energia atomiche o subatomiche.

GRAFENE PER I PANNELLI FOTOVOLTAICI DEL FUTURO

I ricercatori del MIT - Massachusetts Institute of Technology - si sono cimentati nello studio di innovative celle solari a base di grafene leggere, flessibili, trasparenti, economiche ed efficienti come quelle attualmente in uso. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nanotechnology.

Pannelli fotovoltaici leggeri, flessibili, trasparenti e meno costosi di quelli in silicio: un sogno che potrebbe diventare realtà grazie al grafene, materiale costituito da un unico strato di atomi di carbonio.

Si sono cimentati nello studio delle innovative celle solari i ricercatori del
MIT – Massachusetts Institute of Technology, guidati dai professori Jing Kong e Vladimir Bulovic. Lo studio è stato pubblicato poi sulla rivista scientifica Nanotechnology.

Il grafene si presta bene a questo tipo di operazione: è innanzitutto un ottimo conduttore e poi, grazie alla sua caratteristica trasparenza, non blocca in alcun modo l'assorbimento della radiazione luminosa. Presenta tuttavia un unico grosso problema: non riesce ad aderire, ad "attaccarsi", alla base della cella. Il team di ricerca ha provato ad aggirare l'ostacolo in diversi modi – modificando per esempio le proprietà superficiali della cella o ricorrendo a soluzioni diverse dall'acqua (il grafene è fortemente idrofobo) per depositare il carbonio sulla superficie – ma senza ottenere alcun risultato.

Solo dopo svariati tentativi, il gruppo è riuscito a trovare una soluzione valida. Come? "Dopando" il grafene, introducendo cioè una serie di impurità all'interno della sua struttura che ne hanno modificato la superficie. Il materiale ha così mutato il suo comportamento e si è legato strettamente alla cella. Non solo: questi "innesti", inaspettatamente, hanno anche migliorato la conduttività elettrica del grafene, tanto da rendere il dispositivo finale efficiente come un sistema convenzionale.

La scoperta potrebbe spalancare le porte a una varietà di applicazioni impraticabili con i pannelli tradizionali a base di silicio, troppo fragili e rigidi. Si pensi, per esempio, a film sottilissimi e trasparenti da incollare direttamente alle finestre, in grado di catturare i raggi del sole senza occludere la visuale. Ma anche a celle che, grazie alla loro flessibilità, potrebbero essere modellate sulle superfici irregolari dei tetti.

«Altri gruppi di ricerca – commenta
Peter Peumans, assistente professore di ingegneria elettrica presso la Stanford University – avevano già dimostrato le potenzialità del grafene in questo settore ma nessuno era riuscito a ottenere prestazioni paragonabili a quelle dei dispositivi tradizionali». Questo lavoro rappresenta una spinta notevole verso l'affermazione del grafene come materiale leader per le tecnologie fotovoltaiche del futuro.

BIOTECNOLOGIE: PROTESI NEURALI RIVOLUZIONATE DAL GRAFENE

I ricercatori della Technische Universität München (Germania) stanno sperimentando il grafene per la realizzazione di protesi neurali. Il materiale, più idoneo del silicio finora utilizzato, potrebbe rivoluzionare questo campo della ricerca biotecnologica.

Gli studi emergenti sulle protesi neurali – particolari dispositivi che potrebbero essere impianti per esempio nel cervello, negli occhi o nella colonna vertebrale – promettono in un futuro quasi fantascientifico lo sviluppo di tecnologie in grado di contrastare le malattie degenerative, di riparare i tessuti danneggiati, addirittura di potenziare i nostri sensi.

Le difficoltà che gli scienziati si trovano ad affrontare in questo campo sono tuttavia notevoli, si legge sulla MIT Technology Review. Il silicio, materiale usato per creare gli impianti sperimentali, non si integra bene con i tessuti molli del nostro organismo: è rigido, tagliente e rischia di danneggiare il substrato che lo circonda. Un substrato generalmente umido, caldo e salino che, col tempo, compromette anche le componenti elettroniche del dispositivo.

Servirebbe dunque un materiale flessibile e maggiormente compatibile con i tessuti umani. Un materiale che, secondo Lucas Hess e i suoi colleghi della Technische Universität München (Germania), potrebbe essere proprio il grafene, grazie alle sue particolari proprietà intrinseche.

Il grafene, costituito da un unico strato di atomi di carbonio, è infatti sottile, super-flessibile ed estremamente resistente. Ideale per questo tipo di impianti. Ecco allora che i ricercatori hanno cominciato a testare la sua biocompatibilità ottenendo eccellenti risultati. Non solo, nel corso degli esperimenti, hanno anche scoperto che i dispositivi in grafene sono molto più sensibili alle variazioni elettriche rispetto a quelli realizzati in silicio e che non vengono danneggiati dai fluidi corporei, anzi li utilizzano nei loro processi di funzionamento.

Un primo passo, certamente, che tuttavia potrebbe segnare un percorso rivoluzionario nel settore delle biotecnologie applicate alla ricerca medica.

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IL REGNO UNITO INVESTE SUL GRAFENE: IN ARRIVO L'ISTITUTO DI RICERCA NAZIONALE DEDICATO
Aprirà i battenti a Manchester il National Graphene Institute, un centro che si propone di diventare un punto di riferimento mondiale per la ricerca di settore.

Il Regno Unito inaugurerà a Manchester il National Graphene Institute (NGI), uno dei centri di ricerca più all'avanguardia del Paese. Una struttura imponente che si propone di diventare un punto di riferimento mondiale per la ricerca di settore, offrendo l'opportunità ai ricercatori e alle aziende di lavorare insieme per sondare tutte le potenzialità del grafene e le sue possibili applicazioni.

L'edificio di 7600 metri quadrati ospiterà diverse strutture. Tra queste, un laboratorio di 1500 metri quadrati in cui i ricercatori dell'Università di Manchester potranno collaborare con i colleghi di tutte le università del Paese. Un nodo centrale attorno al quale graviteranno le informazioni e i dati provenienti dagli altri istituti britannici che si occupano di grafene.

Non solo, il centro coinvolgerà anche diverse importanti aziende che avranno l'opportunità di lavorare a progetti d'avanguardia nei più svariati ambiti, fianco a fianco con i maggiori esperti del settore.

«Il National Graphene Institute è di fondamentale importanza per continuare su scala internazionale il percorso di ricerca sul grafene iniziato qui a Manchester» afferma il Premio Nobel
Kostya Novoselov che, nel 2004 con il collega Andre Geim, isolò per la prima volta il grafene, proprio nei laboratori dell'Università di Manchester.

La struttura sarà finanziata dal Governo, con un investimento di 38 milioni di sterline, e dal FESR - Fondo europeo per la ricerca e lo sviluppo che stanzierà 23 milioni di sterline. Aprirà i battenti a inizio 2015.

 

ANTENNE AL GRAFENE PER TRASFERIMENTI WIRELESS SUPER-VELOCI

Decine di film in alta definizione trasferiti in pochi secondi da un computer a un altro: potrebbe essere possibile grazie alle innovative antenne wireless al grafene studiate nei laboratori del Georgia Institute of Technology.

Spostare decine di film da un computer a un altro a rapidità stellare potrebbe non essere più un sogno. I ricercatori del Georgia Institute of Technology stanno infatti elaborando un’antenna wireless a base di grafene in grado di effettuare trasferimenti alla incredibile velocità di 1 terabit al secondo.

«Si tratta di un volume di banda incredibile. Al giorno d’oggi, se provi a trasferire tutti i tuoi dati da un computer a un altro, in modalità wireless, potresti metterci delle ore. Con questa tecnologia, invece, avverrebbe tutto in un attimo» sottolinea Ian Akyildiz, direttore del laboratorio che si occupa di questi studi all’interno del prestigioso istituto.

Unico limite: la distanza. I ricercatori hanno calcolato che la velocità di 1 terabit al secondo – che permette di spostare 10 film in alta definizione in un secondo - può essere raggiunta solo se le due antenne collegate ai dispositivi d’interesse si trovano non più distanti di un metro l’una dall’altra. D’altro canto hanno anche affermato che, a distanze più brevi, per esempio di alcuni centimetri, la velocità di trasferimento dati potrebbe teoricamente schizzare a 100 terabit al secondo: un risultato straordinario.

Tutto questo potrebbe diventare possibile grazie alle particolare proprietà del grafene. All’interno dell’innovativo materiale, infatti, gli elettroni si muovono quasi senza subire resistenze, dalle 50 alle 500 volte più velocemente rispetto a quanto accade nel silicio.

Oltre a facilitare la comunicazione ad altissima velocità tra i dispositivi, si legge sulla MIT Technology Review, il grafene consentirebbe anche di realizzare antenne di dimensioni ridottissime (nell’ordine di un micrometro o di pochi nanometri), applicabili ad apparecchiature sempre più piccole.

Alcuni problemi sono ancora da risolvere - per esempio quelli riguardanti la lavorazione del grafene che, a contatto con altri materiali, altera le sue proprietà - ma i ricercatori sono fiduciosi e sperano di riuscire a realizzare il primo prototipo entro un anno.

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AURICOLARI E CASSE AUDIO IN GRAFENE, PER UN SUONO MAI SENTITO PRIMA
Il primo prototipo è stato realizzato da due giovani ricercatori dell’University of California di Berkeley. Il dispositivo promette prestazioni di gran lunga superiori rispetto agli apparecchi presenti sul mercato e potrebbe essere commercializzato a breve.

Il grafene non smette di stupire. Ora un nuovo studio dimostra come auricolari e casse audio realizzati con questo innovativo materiale possano restituire un suono di qualità notevolmente superiore rispetto agli apparecchi hi-fi attualmente disponibili in commercio.

Due ricercatori della University of California di Berkeley, Qin Zhou e Alex Zettl, hanno realizzato il primo prototipo (clicca qui, per leggere i risultati del loro lavoro).

Il dispositivo è costituito da un diaframma - una sottile membrana - in grafene inserita tra due elettrodi che generano un campo elettrico. Quando il campo oscilla, la membrana vibra e, in questo modo, si produce il suono. Un suono quasi perfetto per l'ascolto umano, considerando come il sistema riesca ad avvicinarsi allo standard ideale che prevede un livello di pressione sonora costante dai 20 Hz ai 20 kHz, si legge sulla MIT Technology Review.

Il merito del risultato va al diaframma in grafene che consente di superare molti limiti dei dispositivi tradizionali. Generalmente, infatti, la maggior parte degli apparecchi presenti in commercio è dotata di una membrana che, per ampliare la gamma di frequenza sonora, deve vedere "smorzata" la sua oscillazione. La bontà di un amplificatore sonoro è infatti proporzionale al cosiddetto fattore di smorzamento. Questa operazione risulta complessa, costosa e produce inevitabilmente delle inefficienze nel sistema.

Un modo per arginare il problema e non perdere la qualità del suono è quello di creare una membrana sottilissima e ultra-leggera, il cui moto venga smorzato senza necessità di interventi ingegneristici particolari, solo grazie all'aria. Una soluzione non immediata perché i materiali finora sperimentati, assottigliandosi, diventano fragili e inadeguati.

Il grafene ha invece cambiato la prospettiva: sottilissimo e super-resistente, ha reso i ricercatori capaci di realizzare un diaframma perfetto di 30 nanometri di spessore e 5 mm di diametro che - smorzato dall'aria - risulta in grado di trasformare tutta la sua energia in suono e di produrre un'ottima risposta alle frequenze nell'intero spettro dell'udibile.

Le prospettive sono più che promettenti: la tecnologia a breve potrebbe essere commercializzata e conquistare il mercato, soprattutto nell'ambito dei dispositivi mobili, in cui il consumo energetico è di fondamentale importanza.

 

SENSORI AL GRAFENE PER RILEVARE I GAS ESPLOSIVI 10 VOLTE MEGLIO

Un team di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute e del Shenyang National Laboratory for Materials Science ha trovato il modo di sfruttare le nanostrutture per realizzare rilevatori di gas esplosivi molto più sensibili di quelli presenti in commercio.

Un innovativo sensore al grafene in grado di rilevare i gas esplosivi dieci volte meglio rispetto ai dispositivi attualmente presenti in commercio è stato messo a punto presso i laboratori del Rensselaer Polytechnic Institute americano in collaborazione con il Shenyang National Laboratory for Materials Science cinese.

Diversi studi avevano già dimostrato come singole nanostrutture (per esempio i nanotubi o fogli di grafene) fossero estremamente sensibili a diversi tipi di gas. Tuttavia, le piccolissime dimensioni di tali complessi rendevano quasi impossibile la realizzazione di un vero e proprio rilevatore.

Il nuovo sistema, ideato dal Professor Nikhil Koratkar insieme al collega Hui-Ming Cheng, è riuscito a superare questo limite. In che modo? I ricercatori hanno dato vita a una struttura in grafene di dimensioni superiori aiutandosi con una specie di spugna in nichel. Sulla superficie metallica hanno fatto "crescere" il grafene e, una volta raggiunto l'obiettivo, hanno sottratto l'impalcatura di nichel, riuscendo a ottenere una rete tridimensionale di grafene - più o meno grande come un francobollo - flessibile e resistente, ideale per sopportare anche l'usura del tempo.

Una schiuma in grafene (così viene chiamata) che, nonostante la sua grandezza, si comporta esattamente come una singola nanostruttura: è un complesso continuo, privo di interruzioni, in cui gli elettroni possono muoversi liberamente senza subire resistenze.

Il sensore assorbe facilmente i gas (negli esperimenti sono stati utilizzati ammoniaca e biossido di azoto, sottoprodotti di diversi esplosivi) e muta la sua resistenza elettrica, evidenziando in maniera semplice, economica e molto più precisa rispetto agli apparecchi finora commercializzati eventuali situazioni di pericolo. I risultati ottenuti sono coerenti, ripetibili e molto promettenti.

Infine, la struttura è estremamente facile da ripulire: basta applicare una corrente di 100 milliampere (piuttosto intensa dunque) per eliminare tutti i composti assorbiti. Questo processo non altera in alcun modo la funzionalità del sistema e lo rende completamente reversibile.

Per leggere lo studio completo, clicca qui. Guarda il video!

 

GRAFENE PER DISPOSITIVI ANTI-DOPING AVANZATI

I ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con i colleghi dell'Università francese di Aix- Marseille, hanno realizzato un innovativo sensore in grado di rilevare in maniera tre volte più accurata la presenza di droghe, farmaci o tossine all'interno del corpo umano.

Un nuovo dispositivo in grado di rilevare in modo più accurato, rispetto alle tecnologie attuali, la presenza di droghe, farmaci o tossine all'interno del corpo umano è stato realizzato dai ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con i colleghi dell'Università francese di Aix- Marseille. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Materials (clicca qui, per visionare l'abstract).

Grazie alle particolari proprietà del
grafene, l'innovativo sensore riesce a "visualizzare" – attraverso un sistema ottico piuttosto semplice – una singola molecola, anche molto piccola, ed è in grado di riconoscerla in pochi minuti.

Il processo avviene sfruttando la plasmonica - cioè lo studio dell'interazione luce-materia nanostrutturata e della risposta degli elettroni nei diversi nano-materiali.

La scoperta potrebbe portare alla realizzazione di test antidoping più rapidi e precisi, ma anche – e non secondariamente – essere sfruttata negli aeroporti, o in altre strutture ad alta sicurezza, per individuare sostanze stupefacenti o esplosive.

I ricercatori, nel corso delle loro analisi, hanno rilevato che la sensibilità del loro sensore supera di tre volte quella delle tecnologie attualmente in uso: «Il grafene è uno dei materiali migliori per misurare la sensibilità a queste molecole, sottolinea Sasha Grigorenko, a capo della ricerca. Siamo solo all'inizio, ma questo studio apre la strada a nuove e importanti applicazioni nel campo della sicurezza».

 

BATTERIE AGLI IONI LITIO: GRAZIE AL GRAFENE SI RICARICHERANNO IN 20 SECONDI
Nastri di ossido di vanadio rivestiti di grafene potrebbero diventare l'elettrodo migliore mai realizzato per le batterie di cellulari, pc e auto elettriche. Lo studio è stato realizzato dai ricercatori della Rice University e pubblicato sulla rivista Nano Letters.

Nastri di ossido di vanadio rivestiti in grafene potrebbero costituire l'elettrodo migliore mai creato per le batterie agli ioni litio, accumulatori ad alta potenza usati per caricare telefoni cellulari, computer portatili e anche auto elettriche.

Lo studio, realizzato dai ricercatori della Rice University (Houston – Texas), è stato pubblicato recentemente sulla rivista scientifica Nano Letters.

I nastri realizzati nei laboratori della prestigiosa università sono migliaia di volte più sottili di un foglio di carta ma hanno un potenziale che supera di gran lunga i materiali attualmente disponibili. Questi dispositivi rendono la batteria in grado di ricaricarsi in soli 20 secondi e di mantenere il 90% della sua capacità iniziale dopo più di 1000 cicli. Pulickel Ajayan, professore a capo del gruppo di ricerca, ha sottolineato come l'ossido di vanadio fosse da tempo considerato, grazie alla sua particolare struttura, un validissimo materiale da utilizzare in questo ambito. Tuttavia, presenta una problematica: come tutti gli ossidi, si carica molto lentamente ed è caratterizzato da una bassa conducibilità elettrica. L'aggiunta di un reticolo di grafene ha però permesso di risolvere il problema. Il grafene, grazie alla sua altissima conducibilità elettrica, diventa un perfetto canale per il rapido passaggio di elettroni e ioni. «Questa struttura unica favorisce la diffusione ultra veloce sia di ioni litio che di elettroni durante i processi di ricarica e di scarica. Era la chiave per il raggiungimento di eccellenti prestazioni elettrochimiche» ha commentato Shubin Yang, uno degli autori dello studio.

Per leggere l'abstract dello studio, clicca qui!

 

GRAFENE, IL MATERIALE CHE MOLTIPLICA IL POTERE DELLA LUCE

I ricercatori dell'Institute of Photonic Science (ICFO) di Barcellona hanno dimostrato che un singolo fotone assorbito dal grafene produce molti elettroni eccitati. In questo modo la luce viene convertita in energia elettrica con altissima efficienza.

Il grafene è in grado di moltiplicare il potere della luce. Un team di ricercatori dell'Institute of Photonic Science (ICFO) di Barcellona - in collaborazione con i colleghi del MIT - Massachusetts Institute of Technology e di altri prestigiosi centri di ricerca - ha dimostrato che questo innovativo materiale è in grado di convertire un singolo fotone assorbito in un numero superiore di elettroni. Lo studio è pubblicato sulla rivista Nature Physics.

«Generalmente, nei materiali studiati, ogni fotone assorbito genera un elettrone - sottolinea Frank Koppens, a capo del gruppo di ricerca dell'ICFO - nel caso del grafene, invece, abbiamo osservato che un singolo fotone è in grado di produrre molti elettroni eccitati».

Durante l'esperimento, un monostrato di grafene è stato "bombardato" da fotoni con differenti energie. I ricercatori hanno osservato che i fotoni con energia più alta venivano convertiti in un numero maggiore di elettroni eccitati rispetto a quelli con energia bassa. La relazione osservata (tra l'energia del fotone e il numero di elettroni eccitati) mostra come il grafene sia in grado di convertire la luce in energia elettrica con altissima efficienza. Una caratteristica che lo rende il sostituto ideale dei materiali convenzionali, per esempio il silicio, nei dispositivi che si basano proprio sulla conversione della luce in energia elettrica (come le celle solari).

L'unico neo del grafene è rappresentato dalla sua bassa capacità di assorbimento della luce ed è proprio questo l'ostacolo che il team di ricerca si propone di superare: «La nostra prossima sfida – conclude infatti Koppens - sarà quella di aumentare la capacità di assorbimento del grafene per provare a progettare dispositivi in grado di rilevare la luce in modo più efficiente e creare celle solari a maggior resa».

AEROGEL IN GRAFENE, IL MATERIALE PIU’ LEGGERO DEL MONDO
Prodotto nei laboratori dell’Università cinese dello Zhejiang, il nuovo materiale pesa 7,5 volte meno dell’aria, è superelastico ed estremamente assorbente. Potrebbe aiutare a pulire il mare in caso di riversamenti di petrolio.


È stato realizzato nei laboratori della Università cinese dello Zhejiang il materiale più leggero del mondo. Si tratta di un innovativo aerogel al grafene, 7,5 volte più lieve dell'aria, in grado di stare in equilibrio su un filo d'erba.

Gli aerogel sono sostanze solide simili al gel, la cui componente liquida è però sostituita con un gas. Si tratta della materia meno densa finora scoperta e la ricerca da anni è all'opera per studiarne variazioni sempre più leggere. Dall'aerogel di carbonio, con una densità di 4 milligrammi per centimetro cubo, si è arrivati fino all'aerografite con i suoi 0,18 milligrammi.

Ora, il grafene ha battuto il primato, rendendo possibile la realizzazione di una "schiuma solida" di solo 0,16 milligrammi. Per dare un termine di paragone: due volte più pesante dell'idrogeno – l'elemento più leggero in assoluto – ma superiore all'elio che ha una densità di 0,1786 milligrammi per centimetro cubo.

Per riuscire a creare una struttura di tele tipo, i ricercatori - guidati dal professor Gao Chao - hanno preparato una soluzione di grafene e nanotubi di carbonio che è stata successivamente versata in uno stampo e congelata. A questo punto, per eliminare l'acqua presente – invece che la classica disidratazione – è stato utilizzato un nuovo metodo, quello della liofilizzazione (o crioessiccamento). Questo processo consente di disidratare la soluzione, lasciando praticamente inalterati i componenti della sostanza stessa.

È stata ottenuta così una struttura costituita esclusivamente da singoli strati di grafene e nanotubi di carbonio. Una specie di spugna che, secondo gli autori dello studio, potrebbe avere dimensioni estremamente diverse in relazione al tipo di necessità, da piccolissime a macroscopiche.

Il nuovo materiale presenta delle proprietà eccezionali: oltre a essere super-leggero, è anche straordinariamente elastico e assorbente. Dopo essere stato compresso del 90%, può ritornare alla sua forma originaria ed è in grado di "incorporare" una quantità d'olio pari a 900 volte il suo peso, con una velocità di 68,8 grammi al secondo.

Tali caratteristiche combinate, sottolinea Chao – potrebbero renderlo un alleato ideale per ripulire il mare in seguito ai riversamenti di petrolio. Con un ulteriore vantaggio: il greggio raccolto in questo modo sarebbe riciclabile, così come lo stesso aerogel che, una volta "spremuto" e ripulito, tornerebbe pronto all'uso. Lo studio relativo è stato pubblicato sulla rivista Nature.

GRAFENE, GRAZIE AL DNA SI MODELLA E TRASFORMA A BASSO COSTO
Strutture di DNA tridimensionali hanno permesso ai ricercatori della Harvard University e del MIT - Massachusetts Institute of Technology di modellare e tagliare il grafene per la prima volta a basso costo. La scoperta potrebbe favorire la realizzazione di chip per computer super veloci ed efficienti.


Grazie alle straordinarie proprietà di conducibilità e resistenza del grafene, i ricercatori potrebbero dare vita a chip super avanzati per computer, in grado di operare molto più velocemente, riducendo i consumi energetici. Tuttavia, per realizzare questi innovativi processori, è necessario superare alcuni limiti che il materiale presenta.

Il grafene, infatti, nella sua conformazione base, non è un semiconduttore. Inoltre viene lavorato con maggiore difficoltà (ed elevati costi) rispetto al silicio, attualmente usato nei circuiti elettronici. Per far fronte a queste problematiche, allora, chimici e ingegneri dell'Università di Harvard e del MIT – Massachusetts Institute of Technology hanno messo a punto una nuova tecnica low cost che consente di "modellare" il grafene e di trasformarlo in un semiconduttore, sfruttando il DNA. In che modo?

I ricercatori hanno creato, assemblando singoli filamenti di DNA a mo'di mattoncini lego, delle strutture tridimensionali simili a stampini, pensate per modellare il grafene. Variando la composizione dei filamenti, è stato possibile originare ben 102 distinte forme.

Gli stampi sono stati successivamente ancorati a una superficie in grafene, grazie a una molecola chiamata aminopirina, strutturalmente molto simile all'innovativo materiale. A questo punto, dopo aver stabilizzato la formina di DNA con uno strato d'argento e uno d'oro, gli scienziati hanno bruciato le parti di grafene in eccesso, generando un calco quasi identico allo stampo (che è stato prontamente rimosso con cianuro di sodio).

Sono stati così ottenuti simboli, anelli e nastri in grafene. Questi ultimi di particolare interesse perché il materiale, in tale conformazione, acquisisce nuove proprietà, diventando semiconduttore e quindi potenzialmente adatto a sostituire il silicio nei circuiti elettronici del futuro. Obiettivo dei ricercatori è ora quello di affinare la precisione della tecnica per raggiungere gli standard dei procedimenti a più alto costo. I dettagli della ricerca sono pubblicati sulla rivista Nature Communications.

 

VERNICE “FOTOVOLTAICA” AL GRAFENE, PER DIPINGERE LE CASE E PRODURRE ENERGIA
I ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con i colleghi della National University of Singapore, hanno creato un innovativo materiale a base di grafene, sottilissimo e flessibile, in grado di assorbire in maniera super efficiente i raggi del sole e di produrre elettricità.

Grazie al grafene, in un futuro non troppo lontano, si potranno dipingere le pareti esterne degli edifici con una vernice "fotovoltaica" in grado di catturare in maniera super efficiente i raggi del sole e di trasformarli in energia per la soddisfazione del fabbisogno domestico.

I ricercatori dell'
Università di Manchester, in collaborazione con i colleghi della National University of Singapore, hanno infatti dato vita a un innovativo materiale multistrato, una sorta di wafer, che vede alternarsi sottilissimi fogli di grafene - trasparenti e conduttivi - ad altrettanto sottili fogli di materiali altamente fotosensibili.

«Siamo andati al di là del semplice grafene, combinandolo con altri materiali spessi un atomo – spiega il professor
Kostya Novoselov, Premio Nobel per la Fisica nel 2010 proprio grazie ai suoi studi sul grafene – Abbiamo sovrapposto diversi strati così da ottenere un nuovo tipo di materiale con una serie unica di proprietà. Come in un libro, ciascuna pagina contiene importanti informazioni, ma l'insieme vale molto di più».

In questo modo, il team di ricerca è riuscito a realizzare un "dispositivo" fotovoltaico super efficiente e flessibile (quindi più facile da utilizzare) che potrebbe essere usato per ricoprire interamente le facciate dei palazzi ma anche
integrato in dispositivi portatili, come computer e cellulari. 

Lo studio è pubblicato su
Science, per leggere l'abstract, clicca qui!

 

TRANSISTOR IN GRAFENE, UN’ALTALENA AD ALTA VELOCITA’
E' stato realizzato dall'Università di Manchester il primo transistor fatto di grafene in grado di oscillare tra due diversi stati elettronici e di emettere onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Sarà utile nel campo della sicurezza e della diagnostica per immagini.


Nei laboratori dell'Università di Manchester è stato realizzato il primo transistor in grafene che oscilla spontaneamente tra due diversi stati elettronici, emettendo onde elettromagnetiche ad alta frequenza.

Il dispositivo, descritto sulla rivista scientifica Nature Communications, potrebbe avere importanti applicazioni nel campo della
sicurezza (si pensi agli scanner negli aeroporti) ma anche medico, nei sistemi di diagnostica per immagini.

Come funziona? Il segreto del congegno risiede nella sua
"bistabilità", cioè la capacità di dondolare come un'altalena tra due distinti ed equivalenti stati. Piccole perturbazioni del sistema fungono da spinta e possono innescare una commutazione spontanea.

Il transistor è costituito da due strati di
grafene (l'altalena) separati da una sottile barriera isolante di nitruro di boro. Applicando una leggera tensione (la spinta), il sistema subisce un cambiamento di stato: le nuvole elettroniche dei due strati di grafene si "sintonizzano" e questo fenomeno induce gli elettroni a viaggiare spontaneamente ad alta velocità tra uno strato e un altro, passando attraverso la barriera isolante "di trasporto", grazie a un effetto chiamato tunnel quantistico.

Il rapido movimento di carica elettrica porta alla emissione di
onde elettromagnetiche ad alta frequenza, dalle onde radio agli infrarossi, rendendo il transistor perfetto per le applicazioni sopra citate ma anche come componente integrativo nei chip convenzionali per fornire nuove funzionalità ancora tutte da esplorare.

 

GRAFENE: PROGETTATO KOALA, IL SEGNALIBRO DIGITALE CHE AIUTA LA MEMORIA
E' uno dei progetti vincitori del Create Contest 24, concorso creativo nell'ambito del Digital Festival di Torino. Il dispositivo memorizza l'ultima pagina letta e offre un riassunto "delle puntate precedenti".

Un segnalibro digitale realizzato in grafene – estremamente sottile, flessibile e resistente – in grado di memorizzare l'ultima pagina letta e di offrire, tramite pratico monitor, il "riassunto delle puntate precedenti", una volta ripreso in mano il tomo.

Questo e molto altro saprà fare
Koala, l'innovativo dispositivo (per il momento in fase progettuale) vincitore - nella categoria Young - del Create Contest 24. Si tratta di un concorso organizzato all'interno del Digital Festival di Torino che vede sfidarsi, nel corso di 24 ore non-stop, gruppi di creativi provenienti da tutta Italia a colpi di arti digitali.

Hanno ideato il segnalibro del futuro quattro studenti (dai 21 ai 25 anni) iscritti al corso di Grafica e Comunicazione dell'Università privata
IAAD – Istituto d'Arte Applicata e Design.
Dario Catto, Paolo Data, Geraldo De Oliveira e Alessandro Promio, questi i loro nomi, sono partiti da una considerazione molto semplice: spesso, a causa degli impegni lavorativi e della frenesia quotidiana, non si riesce a leggere un libro tutto d'un fiato. Così ci si ritrova più e più volte a riguardare lo stesso capitolo o, peggio, a dover ricominciare da capo. Da qui, la spinta a immaginare un sistema nuovo che risolvesse il problema e che arricchisse, grazie a tecnologia e innovazione, l'esperienza della lettura.

«Abbiamo concepito un segnalibro simile per fattezze a quelli convenzionali cartacei ma dotato di uno schermo touch e in grado di collegarsi a una particolare piattaforma web. Come materiale di realizzazione abbiamo pensato al
grafene, perfetto per le sue caratteristiche: è sottile e flessibile come la carta ma anche estremamente resistente. Non secondariamente, l'Europa ha intenzione di investire notevolmente sui progetti che lo vedono protagonista. Il dispositivo, secondo quanto abbiamo immaginato, si accenderà grazie a un sistema di rilevamento della luce una volta riaperto il volume e sarà in grado di leggere il numero della pagina dei libri stampati con una filigrana digitale o inchiostro magnetico. Nel caso di libri classici, il lettore potrà digitare il numero della pagina direttamente sul monitor per consentire a Koala di riconoscere il punto preciso e di restituire il riassunto dei passaggi precedenti. Non solo, potrà fornire anche dettagli sui personaggi e informazioni più generali» ci racconta Paolo Data.

Inoltre, facendo scorrere la schermata, proprio come si fa con un normale smartphone, il lettore potrà visionare la sezione
"consigliati" e accedere al suo personale profilo social "letterario" (con commenti, playlist, elenco dei libri che si stanno leggendo, pagina a cui si è arrivati ...) e visionare quello degli altri utenti, scambiando consigli e opinioni.

I tempi di realizzazione potrebbero essere molto lunghi ma il progetto, grazie alla vincita del concorso, ha ora l'opportunità di trasformarsi in start up.

Per saperne di più, clicca qui! Guarda il video!

 

OSSERVATA NEL GRAFENE LA “FARFALLA DI HOFSTADTER”: APERTA LA VIA PER NUOVI SUPER-MATERIALI
La scoperta è stata pubblicata su Nature da due gruppi di ricercatori indipendenti, uno coordinato dalla Manchester University e l’altro dalla Columbia University.

Una nuova importante scoperta vede coinvolto il grafene e apre le porte alla realizzazione di nuovi super-materiali. All'interno del reticolo di grafene, in seguito all'unione con strati di nitruro di boro (anche noto come grafene bianco) e all'applicazione di un campo magnetico, i ricercatori di due distinte università (Manchester University e Columbia University) hanno infatti registrato un mutamento delle proprietà elettroniche mai osservato prima a livello empirico che potrebbe aprire la strada a straordinarie applicazioni tecnologiche.

I salti energetici degli elettroni, alle specifiche condizioni sopra indicate, seguono infatti un modello a farfalla che si ripete in scala. La presenza di una struttura frattale nei livelli energetici degli elettroni era stata teorizzata quasi quarant'anni fa dal fisico statunitense
Douglas Hofstadter ma nessuno era ancora riuscito a trovarne una prova sperimentale.

L'osservazione del particolare effetto – chiamato appunto "farfalla di Hofstadter" – rappresenta un traguardo unico non solo nell'ambito dello studio dei
fenomeni quantistici ma anche e soprattutto nella capacità di manipolazione del grafene stesso e delle sue sorprendenti proprietà conduttive.

Ricordiamo che il grafene, reticolo bidimensionale costituito da singoli atomi di carbonio, presenta una
conducibilità elettrica elevatissima, migliaia di volte superiore a quella del rame, grazie alla dinamica degli elettroni che si muovono all'interno della struttura a nido d'ape alla velocità della luce, come se fossero privi di massa.

Il risultato fa ipotizzare innovative applicazioni nel campo dell'
elettronica ed è la dimostrazione, sottolinea Andre Geim, premio Nobel nel 2010 proprio per la scoperta del grafene e co-autore di uno dei due studi pubblicati, che ora siamo in grado di generare nuove tipologie di materiali impilando singoli fogli di atomi nelle sequenze desiderate, ottenendo dei cristalli artificiali che fino a pochi anni fa sarebbero stati fantascienza. Un passo importante, continua il Professore, che pone le basi per sviluppare ricerche ancora più importanti di quelle sul grafene stesso.

GRAFENE NELLE FOTOCAMERE PER SCATTI PERFETTI ANCHE AL BUIO
Nei laboratori della Nanyang Technological University di Singapore è stato messo a punto un sensore al grafene 1000 volte più sensibile alla luce di quelli in commercio. Riesce a restituire immagini chiare e nitide in condizioni di scarsissima visibilità e senza il supporto del flash.

E' stata effettuata nei laboratori della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore, e pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Communications, la scoperta che probabilmente rivoluzionerà il mondo della fotografia digitale.

Un team di ricercatori, guidati dal Professor
Wang Qijie della scuola di Ingegneria Elettrica ed Elettronica della NTU, ha infatti messo a punto un innovativo sensore di immagine che sfrutta le sorprendenti proprietà elettriche del grafene per ottenere performance mai raggiunte prima d'ora.

Si tratta del primo dispositivo al mondo in grado di rilevare la luce ad ampio spettro (dal visibile al medio infrarosso) e di manifestare una
sensibilità alla radiazione luminosa 1000 volte più elevata rispetto ai sensori CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) e CCD (Charge-Coupled Device) che troviamo negli apparecchi fotografici attualmente sul mercato. Queste caratteristiche uniche consentiranno alle macchine di restituire immagini molto nitide (parliamo sia di foto che di video) anche di notte, senza il supporto del flash.

La nano-struttura in grafene riesce infatti a intrappolare le particelle di
luce molto più a lungo e a generare così segnali elettrici più forti anche in condizioni di scarsissima illuminazione. Maggiore è il segnale elettrico, migliore è la qualità della foto scattata, spiega il Professor Wang. Non solo, le proprietà elettriche del grafene consentono al sensore di operare a tensioni più basse e di consumare 10 volte meno energia.

Performance,
risparmio energetico e convenienza: i nuovi dispositivi sono stati progettati pensando ai sistemi di fabbricazione tradizionali. In questo modo i produttori dovranno solo sostituire il materiale usato nel processo per ottenere un prodotto più efficace e, stimano gli esperti, 5 volte più economico. La scoperta potrebbe avere un grandissimo impatto in diversi settori e trovare applicazione in svariati dispositivi come smartphone, tablet, macchine fotografiche, autovelox, fotocamere a infrarossi, apparecchiature per riprese satellitari e di sorveglianza.

La ricerca ha richiesto due anni di studio e 200 mila dollari di investimento. Il passo successivo è quello di trasformare il sensore sperimentale in un prodotto commerciale.

 

GRAFENE, VERSO LE LENTI A CONTATTO CON COMPUTER INCORPORATO
Sono allo studio lenti a contatto morbide e trasparenti con un dispositivo elettronico integrato a base di grafene. In futuro potrebbero comunicare informazioni a chi le indossa, correggere i difetti della vista e monitorare lo stato di salute dell'occhio.

Nel futuro i computer si indosseranno. Presto sbarcheranno sul mercato i Google Glass, veri e propri pc "travestiti" da occhiali, che consentiranno di navigare sul web e guardare immagini reali con il supporto di informazioni prese dalla rete - ma anche di telefonare, scattare foto e girare video - grazie a software di riconoscimento vocale e a superfici touch.

Un'innovazione fantascientifica che alcuni ricercatori stanno già tentando di rendere obsoleta. Un team dell'
Uslan National Institute of Science and Technology (Corea), guidato dall'ingegnere Jang-Ung Park, è all'opera per mettere a punto delle lenti a contatto che – senza l'ingombro dell'occhiale - riproducano le stesse caratteristiche dei Google Glass.

Lenti morbide e trasparenti, con
display LED incorporato, in grado di comunicare informazioni, correggere i difetti della vista e monitorare lo stato di salute dell'occhio. Per raggiungere l'ambizioso obiettivo sono tuttavia necessari nano-elettrodi flessibili, trasparenti e conduttivi da inserire all'interno della lente: non facilmente reperibili.

Negli ultimi 5 anni, si legge sulla
MIT Technology Review, alcune aziende hanno sviluppato lenti a contatto elettroniche, per esempio per monitorare 24 ore su 24 la pressione oculare nei pazienti affetti da glaucoma. Si tratta però di dispositivi rigidi o non trasparenti. Il conduttore generalmente utilizzato in questi casi è l'ossido di indio-stagno che presenta diverse problematiche: è fragile e deve essere depositato a temperature elevate che rischiano di danneggiare la lente. Altri conduttori organici, come per esempio il grafene o i nanofili ("fili" di metallo la cui sezione ha dimensioni nanometriche), sono flessibili e trasparenti ma non abbastanza conduttivi.

Park, in collaborazione con il collega
Sung-Woo Nam dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e con i ricercatori Samsung, ha però scoperto che, sovrapponendo fogli di grafene a strati di nanofili d'argento, si ottiene un composto con una resistenza elettrica molto più bassa rispetto a quella dei singoli materiali. Non solo, questa nano-struttura è in grado di trasmettere il 94% della luce visibile, si allunga e si può integrare ad altre superfici a basse temperature. L'ideale per lo scopo preposto.

Così, è stata rivestita una lente a contatto morbida con una soluzione liquida del nuovo conduttore elastico e all'estremità è stato apposto un LED. Per il momento, trattandosi di un solo pixel, è eccessivo parlare di display. Tuttavia questa scoperta, pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica
Nanoletters – getta le basi per sviluppare le lenti a contatto computerizzate del futuro.

Tali dispositivi potrebbero essere un giorno utilizzati in campo medico come
biosensori per analizzare la composizione chimica delle lacrime e monitorare lo stato di salute del paziente ma anche come filtri per correggere i difetti visivi.
UNA MANO IN GRAFENE SI MUOVE GRAZIE ALLA LUCE
I ricercatori dell'Università di Berkeley hanno sviluppato un nuovo gel fotosensibile che potrebbe aprire nuovi scenari nel campo della robotica soft.

I ricercatori dell'Università californiana di Berkeley, ispirandosi al mondo vegetale, hanno messo a punto un nuovo idrogel in grado di flettersi e muoversi se stimolato da un fascio di luce infrarossa. Il meccanismo alla base di questa reazione è simile a quello che consente alle piante di curvarsi verso una fonte luminosa (fototropismo) per accedere al miglior irraggiamento possibile, con la differenza che il movimento del gel risulta istantaneo.

Per ottenere un tale risultato, il team ha combinato strati di
grafene e proteine elastiche sintetiche, creando un materiale morbido, progettato con un lato più poroso dell'altro per fare passare i liquidi con maggior velocità. Il garfene, colpito dalla radiazione luminosa, genera calore e riscalda le proteine che, così stimolate, rilasciano l'acqua assorbita a temperatura ambiente. L'acqua viene espulsa dal lato più poroso, provocando la flessione del gel con effetto rapido e reversibile.

Grazie all'idrogel i ricercatori sono riusciti a realizzare una struttura grande 2 cm a forma di 
mano che piega le sue dita quando viene fotostimolata (guarda il video!) e un'altra di 1 cm simile a un lombrico che si muove "strisciando". Gli esperimenti sono stati condotti con il materiale completamente immerso nell'acqua.

La scoperta potrebbe avere importanti applicazioni nel campo emergente della
robotica soft: il settore che studia automi "morbidi" - ispirati ad animali flessuosi come i calamari o le stelle marine - in grado di infilarsi in spazi angusti o afferrare oggetti delicati. In futuro questi robot potrebbero essere manipolati grazie alla luce.


“GRAFENE: IL FUTURO IN 2D, COME CI CAMBIERA’ LA VITA”: LA MOSTRA A MILANO *
Aperta dal 25 giugno al 3 luglio (esclusi sabato e domenica), la mostra sarà visitabile presso l'Università Statale di Milano, in via Festa del Perdono 7.

Un vero e proprio viaggio alla scoperta del grafene e delle sue applicazioni future. È quanto promette di regalare la mostra promossa dal Collegio di Milano, struttura di eccellenza che ospita studenti provenienti da tutte le facoltà universitarie milanesi, e dal Centro Studi per la Sostenibilità Applicata di Goldmann&Partners, società che si occupa di progetti e servizi per la sostenibilità.

Costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, il grafene presenta sorprendenti proprietà, alcune delle quali ancora da scoprire, che saranno in grado di rivoluzionare le nostre vite (per saperne di più, vai alla nostra sezione dedicata al grafene,
cliccando qui!). 

La mostra è frutto del lavoro realizzato da un team di 
12 studenti del Collegio di Milano che, a partire dal mese di gennaio, ha svolto un percorso di ricerca sul grafene mediante incontri con esperti e attività di approfondimento. Obiettivo: diffondere e ampliare la conoscenza su questo universo ancora poco noto al largo pubblico (per saperne di più, ascolta l'intervista realizzata da Moebius, trasmissione di Scienza su Radio24, ai portavoce del team, cliccando qui!).

La mostra è aperta al pubblico, con ingresso libero, dal
25 giugno al 3 luglio (esclusi sabato e domenica), con orario 10-19, presso l'Università Statale di Milano, via Festa del Perdono, 7.

Goldmann&Partners ha intrapreso questa attività divulgativa con il Collegio di Milano nell'ambito del
progetto ATANOR, un'iniziativa della Regione Lombardia dedicata allo sviluppo di materiali polimerici multifunzionali a base di Grafene.

 

UN VIAGGIO NELL’UNIVERSO DEL GRAFENE
Che cos'è, come viene prodotto e soprattutto in che modo rivoluzionerà il nostro futuro: a queste e a molte altre domande risponde, in maniera chiara e immediata, la mostra "Grafene: il futuro in 2D come ci cambierà la vita", in esposizione presso l'Università Statale di Milano fino al 3 luglio.

E' un materiale dalle proprietà uniche: oltre a essere il più sottile e leggero al mondo (ha uno spessore di un solo atomo), risulta 50 volte più resistente dell'acciaio, allo stesso tempo super-elastico, trasparente, nonché un ottimo conduttore di elettricità e calore. Con queste premesse, il grafene si appresta a diventare la rivoluzione tecnologica dei prossimi anni, portando alla realizzazione di dispositivi degni di un film di fantascienza. Tantissime le sue possibili applicazioni, alcune delle quali ancora inimmaginabili, nel campo dell'elettronica, della bio-medicina e dell'energia, ma anche della mobilità e dell'architettura. La prestigiosa rivista Nature prospetta addirittura l'avvento di un'era del grafene, paragonabile per portata rivoluzionaria a quella del Bronzo e del Ferro.

E proprio al materiale, definito da molti "delle meraviglie", è dedicata la mostra "Grafene: il futuro in 2D come ci cambierà la vita", promossa dal
Collegio di Milano (struttura di eccellenza che ospita alcuni dei migliori studenti provenienti dai diversi atenei milanesi) e dal Centro Studi per la Sostenibilità Applicata di Goldmann&Partners. L'obiettivo dell'iniziativa è quello di diffondere e ampliare le conoscenze sul grafene, sulle sue applicazioni nanotecnologiche (che impatteranno positivamente anche in termini di sostenibilità) e su alcune delle possibili implicazioni che l'adozione di questa tecnologia produrrà a livello socio-econimico e istituzionale.

Autori dell'esposizione, 12 studenti del Collegio di Milano, provenienti da diverse facoltà. I ragazzi hanno approfondito il tema - durante un percorso di studio e ricerca durato sei mesi - ciascuno a partire dalla propria formazione di partenza (chi dunque da un punto di vista architettonico, chi più prettamente economico, chi ancora legislativo).

L'istallazione – aperta al pubblico presso il colonnato di Largo Richini dell'Università Statale di Milano (via Festa del Perdono 7), fino al 3 luglio (esclusi sabato e domenica) – è semplice e immediata. Otto pannelli numerati, completi di immagini, testi e grafica, sono esposti a coppie all'interno di piccole cupole reticolari che ospitano non più di una manciata di visitatori per volta.

Il percorso inizia con un'immersione nel mondo della nanotecnologia, di cui il grafene è protagonista: quel ramo della scienza applicata e della tecnologia che studia la materia nel piccolissimo (una nanoparticella è un milione di volte più piccola di una formica) e che si propone di miniaturizzare materiali già esistenti (perché stessi materiali con dimensioni diverse presentano anche proprietà diverse). In questo contesto spicca il grafene, monostrato di atomi di carbonio disposti a formare una griglia esagonale, che è stato ottenuto isolando singoli fogli presenti nella normale grafite e che possiede caratteristiche molto più interessanti di quelle presentate dal mondo macroscopico. A scoprirlo, separandolo da un blocco di grafite con un semplice pezzo di scotch, furono nel 2004 due giovani ricercatori russi dell'Università di Manchester - Konstantin Novoselov e Andre Geim - successivamente vincitori del premio Nobel per la Fisica grazie ai loro studi sul grafene.

Il viaggio continua con una panoramica che descrive i vari attori al centro della "rivoluzione grafene" e il ruolo che dovranno rivestire nel prossimo futuro. Dai governi, responsabili di creare le condizioni necessarie all'innovazione con canali finanziari e strumenti di supporto all'impresa, ai laboratori universitari, rafforzati dalla collaborazione tra diversi centri di ricerca e dalla sinergia con start up e spin off. A tal proposito, l'Italia è presente in questo scenario innovativo e imprenditoriale grazie a Directa Plus, una start up pronta a entrare nel mercato mondiale con i suoi prodotti legati alle nanoplatelets di grafene (polvere finissima composta di scaglie nanometriche di grafene da mescolare ad altri materiali).

La mostra approfondisce poi il contesto da un punto di vista geopolitico ed economico. Si scopre così che la produzione di grafene impiega solo modeste quantità di grafite, un materiale diffuso e già ampiamente commercializzato. Se ne vendono infatti 1,2 milioni di tonnellate l'anno, a 2500 dollari per tonnellata (il rame costa ben 8000 dollari alla tonnellata). Risulta quindi ragionevole aspettarsi che nel prossimo futuro si ridurrà la "rendita" dei Paesi che possiedono i giacimenti di materie prime, a favore di chi possiede maggiori capacità tecnologiche. Sulla scia, l'Europa ha da poco lanciato il super progetto Flagship Graphene (il più ambizioso mai messo in campo) che vede destinato un investimento di un miliardo per supportare 10 anni di ricerca sul grafene. Attualmente, però, il primato di brevetti depositati in tale ambito spetta alla Cina (ben 2204 contro i soli 200 europei). Questo avviene anche perché il colosso cinese possiede una legislazione in materia molto più flessibile ed elastica rispetto a quella del Vecchio Continente.

Il percorso si conclude con la descrizione delle possibili applicazioni dell'innovativa tecnologia: dai
pannelli fotovoltaici a maggior resa, alle vernici che rendono le pareti inattaccabili da muffe e microrganismi, fino ai filtri super potenti per rendere potabile l'acqua contaminata o per ripulire il mare, per esempio in seguito alle fuoriuscite di idrocarburi dalle piattaforme petrolifere. Non solo. Grazie al grafene si potrà parlare di transitor 10 volte superiori a quelli in silicio, di stoccaggio dell'idrogeno, di schermi touch screen flessibili e arrotolabili. Ma anche di supercapacitori per auto elettriche in grado di ricaricarsi fino a 1000 volte più velocemente delle comuni batterie e di dispositivi in grado di analizzare l'intero genoma umano in poche ore o di integrarsi perfettamente al nostro sistema nervoso con l'obiettivo di combattere le malattie degenerative, riparare i tessuti danneggiati o addirittura di potenziare i nostri sensi. Per ripercorrere tutta la mostra, guarda la fotogallery.

Goldmann&Partners ha intrapreso questa attività divulgativa con il Collegio di Milano nell'ambito del
progetto ATANOR, un'iniziativa della Regione Lombardia dedicata allo sviluppo di materiali polimerici multifunzionali a base di grafene.

 

FOTOTRANSISTOR AL GRAFENE, PIU’ SENSIBILI ALLA LUCE GRAZIE ALLA CLOROFILLA
Un gruppo di ricercatori dell'Institute of Atomic and Molecular Sciences di Taiwan ha messo a punto in laboratorio un fototransistor al grafene che sfrutta la capacità della clorofilla di assorbire la luce.

Un gruppo di ricercatori dell'Institute of Atomic and Molecular Sciences di Taiwan ha messo a punto un fototransistor in grafene rivestito di clorofilla molto più sensibile alla luce dei dispositivi realizzati in puro grafene.

Il grafene, come abbiamo avuto già modo di
approfondire, ha notevoli proprietà ottiche ed elettroniche. Tali proprietà lo rendono particolarmente adatto per la realizzazione di dispositivi, come per esempio sensori fotoelettrici e celle solari, più efficienti di quelli in commercio.

Questo perché l'innovativo materiale è in grado di assorbire i fotoni in un ampio intervallo di frequenza e perché "trasporta" gli elettroni ad alta velocità. Presenta, tuttavia, un problema: ha una
bassa sensibilità alla luce. Per superare questo ostacolo, diversi team di studio hanno cercato di "unire" il grafene a materiali di diverso tipo che consentissero ai dispositivi di assorbire la luce in modo più efficace. Nessuno fino a questo momento aveva però pensato alla clorofilla.

La
clorofilla - pigmento presente nelle cellule vegetali in grado di convertire l'energia solare in energia chimica - è uno dei "materiali" più efficienti nell'assorbimento della luce. Per decenni, nei laboratori di ricerca, si è cercato di riprodurre artificialmente le straordinarie capacità della clorofilla, senza successo. I ricercatori hanno allora cominciato a pensare di utilizzare direttamente il pigmento naturale nei loro studi: economico, non tossico, ampiamente diffuso.

E proprio seguendo questa filosofia,
Shao-Yu Chen e colleghi (clicca qui, per scaricare il pdf che spiega il loro lavoro) hanno realizzato in modo semplice ma efficace un dispositivo in grafene "supportato" proprio dalla clorofilla.

Il prototipo è stato creato attaccando due
elettrodi d'oro alle estremità di un foglio di grafene. Il grafene è successivamente stato ricoperto da uno strato di clorofilla con una tecnica chiamata "drop casting". Tale tecnica prevede che una goccia di soluzione contenente clorofilla venga versata sulla superficie d'interesse e poi sia lasciata evaporare. In questo modo sul materiale resta un cappotto di pura clorofilla.

Lo strato di clorofilla ha una notevole influenza sulle caratteristiche elettroniche del dispositivo. Quando viene applicata una tensione ai due elettrodi d'oro, si genera infatti un limitato flusso di corrente. Nel momento in cui, però, la clorofilla viene colpita dalla luce a una certa frequenza, la corrente aumenta vertiginosamente. Questo avviene perché la luce stimola il rilascio di elettroni dalla clorofilla al grafene. I ricercatori sostengono che
per ogni fotone assorbito dalla clorofilla, circa un milione di elettroni vadano a potenziare il flusso di corrente.

Lo studio è molto interessante perché dimostra come la clorofilla possa essere incorporata in un
fototransistor bio-ispirato in modo relativamente semplice. Tuttavia, il dispositivo è ancora "grezzo" e avrà bisogno di ulteriori perfezionamenti e ottimizzazioni prima di poter essere utilizzato per applicazioni reali.

 

PROCESSORI “AL FRESCO” GRAZIE AL GRAFENE
Un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che uno strato di grafene può ridurre del 25% la temperatura nei punti più caldi di un processore, aumentando prestazioni e longevità del sistema elettronico.


Un team di ricerca internazionale, guidato dalla svedese
Chalmers University of Technology, ha scoperto che il grafene – tra le sue straordinarie proprietà – possiede anche quella di dissipare il calore prodotto dai sistemi elettronici. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che uno strato dell'innovativo materiale può ridurre la temperatura nei punti più caldi di un processore (chiamati hotspot) fino al 25%.

Un risultato molto importante se si considera che i moderni sistemi elettronici, soprattutto con l'aumentare delle loro funzioni, generano sempre più calore. Calore che deve essere disperso in maniera efficiente perché incide negativamente sia sulle prestazioni che sulla
longevità dei dispositivi. Si stima, infatti, che un incremento di 10°C possa addirittura dimezzare la durata della vita di una apparecchiatura elettronica.

«La temperatura normale di funzionamento negli hotspot che abbiamo raffreddato con uno strato di grafene andava da 55 a 115° C – ha affermato il professor
Johan Liu, a capo della ricerca. Siamo stati in grado di ridurla di 13 gradi».

Non secondari i vantaggi dal punto di vista del
risparmio energetico. Secondo uno studio condotto negli Stati Uniti (sulla base di dati raccolti nel 2006), infatti, il 50% dell'elettricità utilizzata per far funzionare i data server finisce nei sistemi di raffreddamento. Soluzioni come questa consentirebbero di ridurre quindi i consumi.

Questa scoperta - continua il professore - non solo migliora l'efficienza energetica e allunga la vita dei dispositivi, ma apre anche le porte a maggiori funzioni e consente di spingersi avanti con la 
miniaturizzazione dell'elettronica».

La ricerca è stata realizzata con la collaborazione dell'
Hong Kong University of Science and Technology, della Shanghai University e dell'azienda svedese SHT Smart High Tech AB.

Per leggere l'abstract dello studio, clicca qui!


INCHIOSTRO AL GRAFENE PER STAMPARE CIRCUITI ELETTRONICI PIEGHEVOLI
Messo a punto dai ricercatori della Northwestern University dell'Illinois, l'innovativo inchiostro superconduttivo potrebbe consentire di stampare una vasta gamma di dispositivi flessibili.

I ricercatori della Northwestern University dell'Illinois hanno messo a punto un inchiostro a base di grafene altamente conduttivo che, tramite stampanti ink – jet (a getto di inchiostro), consentirà di stampare circuiti elettronici su una grande varietà di materiali. Questa scoperta potrebbe aprire le porte alla realizzazione di dispositivi elettronici flessibili come per esempio monitor, pannelli solari, sensori elettrochimici.

Il
grafene, grazie alle sue straordinarie proprietà (è superconduttivo, chimicamente molto stabile e meccanicamente flessibile), continua ad attrarre ingegneri e sviluppatori di apparecchi elettronici di nuova generazione.

Già in passato sono stati effettuati esperimenti per utilizzare il grafene nella
stampa a getto di inchiostro ma con risultati meno soddisfacenti. L'uso di tale tecnologia presenta infatti diverse problematiche: è per esempio molto difficile ottenere concentrazioni sufficientemente alte dell'innovativo materiale (in un solvente che presenti la viscosità adeguata per questo tipo di stampanti) senza influenzare negativamente le sue proprietà elettroniche.

Sia il processo di
ossidazione, sia il metodo di esfoliazione - che consentono di ottenere dalla grafite il necessario numero di fogli di grafene - riducono significativamente la conducibilità del materiale risultante. 

Per far fronte a tale problematica, il team dell'Illinois ha sviluppato un nuovo procedimento di esfoliazione che prevede l'uso di
etanolo e cellulosa e che viene effettuato a temperatura ambiente. Questo processo non compromette la conducibilità elettrica della sostanza e consente di ottenere una polvere contenente un'alta concentrazione di fiocchi di grafene di dimensioni nanometriche. La polvere viene poi combinata con un solvente per creare un inchiostro che risulta 250 volte più conduttivo rispetto a quanto ottenuto nelle precedenti sperimentazioni.

Il gruppo di ricerca ha già usato questa tecnologia per stampare, su
superfici flessibili, circuiti complessi di 14 nanometri di spessore. Anche quando le superfici vengono piegate, la conduttività dell'inchiostro difficilmente subisce alterazioni.

«Si sviluppa un numero sempre maggiore di materiali flessibili e pieghevoli – ha affermato il professor
Mark Hersam, a capo della ricerca – ora la sfida è quella di integrarli perfettamente con dispositivi e circuiti elettronici. Stiamo lavorando su questo problema e speriamo di risolvere le restanti sfide nei prossimi due anni».

Per visionare l'abstract dello studio,
clicca qui!

 

PELLICOLE IN GRAFENE DIVENTANO ALTOPARLANTI DA ATTACCARE ALLE FINESTRE
Il dispositivo è stato realizzato dai ricercatori della Seoul National University (Corea) e, rispetto a tecnologie simili già disponibili in commercio, risulterebbe più conveniente in termini di consumo energetico e di costi.

I ricercatori della Seoul National University hanno utilizzato alcuni fogli di grafene per mettere a punto un altoparlante trasparente, flessibile e sottilissimo che, sottolineano, potrebbe essere applicato alle finestre o agli schermi dei computer.

Grazie alle sue sorprendenti proprietà meccaniche ed elettroniche, il grafene (costituito da un singolo strato di atomi di carbonio) sembra essere destinato a rivoluzionare il mondo tecnologico. Tuttavia, fabbricare pellicole di grandi dimensioni con questo innovativo materiale resta una delle principali sfide che gli scienziati devono affrontare.

Per superare il problema e realizzare il dispositivo, il team di ricerca coreano, guidato da
Jyongsik Jang, ha utilizzato una stampante a getto di inchiostro per "stampare" l'ossido di grafene su un substrato di PVDF (polivinilidenfluoruro). In questo modo i ricercatori hanno ottenuto una pellicola polimerica ricoperta da due strati di grafene che funzionano come elettrodi. 

Un processo innovativo per creare in maniera controllata e potenzialmente su larga scala film in grafene di considerevoli dimensioni, adatti - nel caso di questo esperimento - a realizzare altoparlanti sottili, flessibili e trasparenti.

Come funziona il sistema? Quando si applica al dispositivo una corrente derivante dalla sorgente sonora, si scatena l'
effetto piezoelettrico inverso che provoca una distorsione della pellicola in PVDF e crea onde sonore.

Tale impianto, secondo i ricercatori, dovrebbe essere facilmente installabile e utilizzabile in qualsiasi luogo si abbia la necessità di diffondere un suono.

Altoparlanti simili – sottolinea Jang – sono già disponibili in commercio ma il nuovo dispositivo potrebbe presentare vantaggi significativi in termini di
consumo energetico e di costi di produzione. Tuttavia, conclude l'esperto, deve essere fatto ancora molto lavoro per migliorare la qualità del suono e ridurre i prezzi in vista della commercializzazione.

Per leggere l'abstract dell'articolo, clicca qui!

 

GRAZIE AL GRAFENE, REALIZZATO NANOMATERIALE PIU’ RESISTENTE DEI METALLI
I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hanno realizzato un innovativo composito che, grazie a singoli fogli di grafene inseriti tra strati di metalli puri, risulta 180 volte più resistente del nichel e 500 volte più del rame.


Un nuovo materiale centinaia di volte più resistente dei metalli puri è stato sviluppato dai ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

Si tratta di un nanomateriale composito costituito da
strati di nichel e di rame intramezzati da fogli di grafene. Per ottenere questa struttura, la professoressa Seung Min Han e il suo team hanno utilizzato un particolare processo chiamato Chemical Vapor Deposition (CVD) che consente di depositare un singolo strato di grafene sulla superficie del metallo utilizzato. Procedimento che è stato ripetuto più volte fino a ottenere l'innovativo composito.

Per misurarne la resistenza, il gruppo ha successivamente condotto dei
test di micro-compressione che hanno mostrato come il prodotto fosse molto più resistente dei materiali costituiti da metalli convenzionali. In particolare: 500 volte più resistente del rame puro e 180 più del nichel puro.

«Il risultato è stupefacente – ha commentato
Seung Min Han - con una percentuale di grafene pari solo allo 0,00004 % del peso totale, la resistenza dei materiali è aumentata di centinaia di volte».

Questa scoperta, continua l'esperto, potrebbe contribuire alla messa in produzione di
automobili e veicoli spaziali leggeri e ultra-resistenti ed essere applicata anche per la realizzazione di rivestimenti dei reattori nucleari e di tutti quei prodotti che richiedono un elevato livello di affidabilità.

Lo studio relativo è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications,
qui potete trovare l'abstract.

L’OSSIDO DI GRAFENE ASSORBE I RIFIUTI RADIOATTIVI CHE CONTAMINANO LE ACQUE
Microscopici fiocchi di questo materiale riescono a intrappolare i radionuclidi dispersi nei liquidi e a renderli solidi. In questo modo è più facile maneggiare e rimuovere le sostanze tossiche dall'acqua.


Una recente ricerca, effettuata dai ricercatori della Rice University - in collaborazione con i colleghi della Moscow State University - ha dimostrato la notevole capacità dell'ossido di grafene di assorbire e condensare velocemente le scorie radioattive nell'acqua contaminata.

Microscopici fiocchi di questo materiale – solubili nei liquidi e prodotti facilmente in grandi quantità - sono infatti in grado di
intrappolare i radionuclidi, sia naturali che artificiali, e di renderli solidi.

In questo modo è più facile isolare, maneggiare e quindi rimuovere le
sostanze tossiche dall'acqua. La scoperta, sottolineano gli autori dello studio, potrebbe essere di grande supporto nella bonifica dei siti contaminati come per esempio le aree che circondano la centrale nucleare di Fukushima, colpita dal terremoto e dallo Tsunami del marzo 2011, da cui continua a fuoriuscire – l'ultimo allarme è recente – acqua radioattiva.

I ricercatori hanno testato l'ossido di grafene sintetizzato alla Rice con scorie nucleari simulate, contenenti
uranio, plutonio e sostanze come sodio o calcio, che potevano influire negativamente sull'assorbimento. Nonostante questo, l'ossido di grafene si è dimostrato di gran lunga migliore delle argille bentonitiche e dei carboni attivi, comunemente usati nella bonifica delle aree contaminate. L'ossido di grafene ha infatti coaugulato in pochi minuti le sostanze di rifiuto, aggregando rapidamente i peggiori inquinanti.

«La grande superficie dell'ossido di grafene determina la sua capacità di assorbire le tossine – ha sottolineato
Stepan Kalmykov, uno dei coordinatori della ricerca – quindi le elevate capacità di ritenzione non ci sorprendono. Ciò che invece stupisce è la cinetica di assorbimento così rapida. La vera chiave di questo processo».

I risultati dello studio sono riportati sulla rivista della Royal Society of Chemistry
"Physical Chemistry Chemical Physics". Per leggere l'abstract, clicca qui!

 

INTERNET SUPERVELOCE GRAZIE AL GRAFENE
L'uso del grafene nelle telecomunicazioni potrebbe rendere la connessione a Internet cento volte più veloce. Lo studio della britannica University of Bath.


L'uso del grafene nelle telecomunicazioni potrebbe accelerare notevolmente la velocità di connessione a Internet. Fino a un centinaio di volte. Lo sostiene un team di ricerca del Dipartimento di Fisica della britannica University of Bath.

I ricercatori, nel corso del loro studio - pubblicato sulla rivista scientifica
Physical Review Letters – hanno ottenuto per la prima volta tassi di risposta ottica incredibilmente brevi grazie all'utilizzo del grafene.

Ogni giorno, si legge sul sito dell'Università, grandi quantità di dati vengono trasmessi e trattati attraverso dispositivi optoelettronici come per esempio le fibre ottiche o i rivelatori fotoelettrici. I segnali vengono inviati dai fotoni a lunghezze d'onda infrarosse e trattati mediante commutatori ottici che convertono questi segnali in una serie di impulsi luminosi. Di solito il processo avviene in un tempo ristrettissimo, intorno a un millesimo di miliardesimo di secondo (picosecondo). Nello studio in questione, il team di ricerca ha osservato che utilizzando pochi strati di grafene in un interruttore ottico,
la risposta risulta quasi 100 volte più veloce rispetto a quella ottenuta con i materiali usati attualmente.

E così, quello che viene definito "il materiale delle meraviglie", per le sue incredibili caratteristiche di resistenza, conducibilità, leggerezza e flessibilità, potrebbe in futuro rivoluzionare il mondo delle telecomunicazioni.

Ha commentato i risultati dello studio
Enrico Da Como, a capo del team di ricerca: «Questa risposta veloce avviene nella parte infrarossa dello spettro elettromagnetico, all'interno del quale si stanno attualmente sviluppando molte applicazioni sia nel campo delle telecomunicazioni, ma anche della sicurezza e della medicina che interesseranno da vicino la nostra società».

A lungo termine questa ricerca potrebbe portare allo sviluppo di
laser a cascata quantica a base di grafene: dispositivi utilizzati nel monitoraggio dell'inquinamento, nella spettroscopia e nel campo della sicurezza.

Per leggere l'abstract dello studio,
clicca qui!

 

GRAZIE AL DNA VERRANNO ASSEMBLATI I TRANSISTOR DEL FUTURO A BASE DI GRAFENE
I ricercatori della Stanford University hanno usato il DNA come stampo per sintetizzare nastri ultra sottili di grafene. Questa scoperta potrebbe portare alla produzione di transistor a base di grafene più piccoli, veloci ed economici di quelli attualmente in uso.


Un team di ricercatori della Stanford University ha trovato un modo per assemblare nastri ultrasottili di grafene, utilizzando il Dna. Questa scoperta potrebbe essere la chiave per riuscire a produrre su larga scala transistor a base di grafene, più piccoli, veloci, efficienti ed economici di quelli al silicio.

Il grafene, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, presenta infatti proprietà elettroniche che lo rendono estremamente interessante all'interno dei circuiti integrati: gli elettroni per esempio si muovono molto più velocemente attraverso il reticolo di atomi di carbonio che nel silicio.

Tuttavia, per realizzare questo tipo di
transistor, sono necessari nastri di grafene sottilissimi (larghi appena 20-50 atomi). Solo così il materiale acquisisce il bandgap - proprietà dei semiconduttori che permette ai transistor di passare dalla fase on alla off, cambiando la quantità di corrente che li attraversa. La produzione in grandi quantità di strutture in grafene di tali dimensioni e la capacità di allinearle e posizionarle correttamente nel circuito elettrico si sono però dimostrate sfide complesse.

Ecco allora che un aiuto è arrivato dal
Dna. Le molecole di Dna sono lunghe, sottili e approssimativamente grandi come le strisce di grafene necessarie ai ricercatori. Non solo, sono costituite anche da atomi di carbonio, il materiale di cui è composto il grafene stesso. Queste caratteristiche hanno dato l'idea al professor Zhenan Bao, a capo del team di ricerca, e ai suoi colleghi di utilizzare il Dna per assemblare i nano-nastri.

I ricercatori hanno usato una superficie in silicio come substrato per realizzare il loro transistor sperimentale. Hanno poi immerso il "piatto" di silicio in una soluzione contenente filamenti di Dna "pettinati", grazie a una particolare tecnica, in linee rette. Successivamente il Dna è stato esposto a una soluzione di
sale di rame. Le proprietà chimiche della soluzione hanno permesso agli ioni di rame di essere assorbiti dal Dna. Poi i ricercatori hanno riscaldato il Dna a temperature molto elevate e lo hanno immerso in gas metano (che contiene atomi di carbonio). Ancora una volta le forze chimiche sono entrate in gioco e hanno aiutato il processo di assemblaggio. Il calore ha scatenato una reazione che ha liberato alcuni degli atomi di carbonio contenuti nel Dna e nel metano. Questi atomi si sono uniti insieme andando a creare dei nastri che "copiano" la struttura del Dna.

Il processo di assemblaggio deve ancora essere perfezionato (gli atomi di carbonio, a volte, invece di formare un foglio dello spessore di un atomo si aggregano a grappolo) ma si dimostra un modello efficace, economico e preciso per la produzione di grafene per l'elettronica

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica
Nature Communications, clicca qui per leggere l'abstract.

 

L’ACQUA SCIVOLA SU UN NANO-IMPERMEABILE DI GRAFENE
I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un nuovo nano-tessuto realizzato con il grafene in grado di migliorare l'impermeabilità di materiali con superfici ruvide.

Un impermeabile invisibile realizzato in grafene è stato realizzato nei laboratori del Rensselaer Polytechnic Institute. L'innovativo "tessuto", spesso meno di un nanometro, è in grado di proteggere dall'acqua il materiale sottostante, senza alterarne le proprietà.

Questa innovazione potrebbe essere utile per migliorare le prestazioni delle
superfici auto-pulenti, per i dispositivi lab-on-a-chip e nelle applicazioni che richiedono il movimento di gocce di liquido su superfici solide.

«Oltre a essere una barriera contro l'acqua, questi "nano-drappi" sono trasparenti e apportano mutamenti minimi alla topologia della superficie sottostante – sottolinea il professor
Nikhil Koratkar, a capo dello studio – Abbiamo realizzato un "tessuto" ultrapuro che impedisce la penetrazione dell'acqua nelle superfici strutturate e che mostra interessanti e potenzialmente importanti implicazioni tecnologiche per molte applicazioni nel campo della micro e nano-fluidica».

I ricercatori hanno osservato che l'acqua posta sulle superfici "nude" si sparge e genera grandi gocce piatte (indicative di un
substrato idrofilo). Al contrario, con la copertura in grafene, le gocce assumono una forma sferica, come avviene in caso di materiali idrofobi o idrorepellenti. Le caratteristiche di impermeabilità sono già evidenti con l'applicazione di un unico nano-drappo (che misura diversi centimetri di lunghezza e una volta applicato è rilevabile solo con un potente microscopio), ma l'effetto può essere potenziato con la sovrapposizione di qualche strato aggiuntivo che va a coprire eventuali crepe o difetti formatisi sul primo foglio di grafene.

Per creare questo sottilissimo tessuto, Koratkar e il suo team hanno fatto crescere il grafene su un substrato di rame. Successivamente, i ricercatori hanno rivestito il materiale con un film polimerico e hanno rimosso il rame, usando degli acidi deboli. Infine, il foglio di grafene sullo strato di polimero è stato trasferito sulla superficie da proteggere e il polimero lavato via delicatamente con acetone. In questo modo si è ottenuto un tessuto impermeabile ultrapuro e trasparente dello spessore di un atomo di carbonio.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista
ACS Nano, clicca qui per leggere l'abstract!

 

GRAZIE AL GRAFENE, SCOPERTO PER CASO IL VETRO PIU’ SOTTILE DEL MONDO
Individuato fortuitamente su uno strato di grafene dai ricercatori della Cornell University e dai colleghi dell'Università tedesca di Ulm, il foglio di vetro "da guinness" ha uno spessore di soli due atomi.


Alcune importanti scoperte sono frutto del caso. Recentemente è capitato ai ricercatori della Cornell University che, insieme ai colleghi dell'Università tedesca di Ulm, hanno individuato fortuitamente il foglio di vetro più sottile del mondo (spesso solo due atomi).

In che modo? Osservando al microscopio elettronico un'imperfezione presente sul
grafene puro che stavano realizzando in laboratorio. Quella che sembrava una semplice "sporcizia", si è rivelata invece una struttura composta da silicio e ossigeno, gli elementi che costituiscono il comune vetro.

Il team ha ritenuto probabile che il foglio di vetro supersottile si sia formato in seguito a una fuga d'aria che avrebbe fatto reagire le lamine di rame utilizzate come substrato per far crescere il gafene e il quarzo del forno utilizzato nel processo di produzione (anch'esso costituito da silicio e ossigeno).

Oltre all'importanza della novità, ha sottolineato
David A. Muller, docente alla Cornell University, questa scoperta ha consentito di trovare risposte a molti quesiti sulla struttura fondamentale del vetro che da oltre ottant'anni restavano insoluti. I ricercatori sono infatti riusciti a fotografare per la prima volta nella storia la disposizione degli atomi del vetro, scoprendo tra l'altro che l'immagine ottenuta assomiglia sorprendentemente a una rappresentazione teorica disegnata nel 1932 dal fisico norvegese William Houlder Zachariasen.

Svariate le possibili applicazioni di questo innovativo prodotto che potrebbe un giorno migliorare le prestazioni dei processori nei computer e negli smartphone. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista scientifica
Nano Letters (per leggere l'abstract, clicca qui) e, ora, entrerà ufficialmente nell'edizione 2014 del Guinness dei primati.

 

OSSIDO DI GRAFENE PER NUOVE TECNOLOGIE DI SALVATAGGIO DATI “SUPERSICURE”
La scoperta dei ricercatori della Swinburne University of Technology consentirà di realizzare dischi in grado di restituire le informazioni archiviate anche in seguito a danneggiamento. Grazie a un ologramma.

Hard disk rotto e dati dispersi addio. Grazie all'ossido di grafene, gli scienziati della Swinburne University of Technology (Australia) hanno intenzione di realizzare una nuova tecnologia di stoccaggio delle informazioni digitali super sicura.

Nella loro ultima ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica
Nature (clicca qui, per leggerla), infatti, i ricercatori - guidati dal Professor Min Gu - hanno dimostrato il potenziale espresso in tal senso da un composito polimerico a base di ossido di grafene, in grado di "memorizzare" informazioni sottoforma di ologrammi.

«Convenzionalmente - spiega Min Gu - l'informazione viene registrata come dato binario su un disco. Quando il disco si rompe, le informazioni non possono essere recuperate e questo rappresenta un importante costo nei grandi data center che devono avere più duplicati "fisici" per evitare la perdita dei dati. Il nuovo nano-materiale permette, invece, lo sviluppo di super dischi in grado di far recuperare le informazioni anche da pezzi rotti». Ogni parte dell'ologramma, infatti, è in grado di contenere l'informazione intera: spezzandolo, si otterranno due frammenti in grado di riprodurre "l'oggetto" di partenza.

L'ossido di grafene - oltre ad avere caratteristiche simili al
grafene (noto per la sua resistenza, leggerezza, flessibilità, trasparenza e conducibilità di calore ed elettricità) - ha anche una proprietà in più: la fluorescenza. Il materiale è quindi in grado di emettere nuovamente le radiazioni elettromagnetiche ricevute. Questa peculiarità, insieme all'elevatissimo indice di rifrazione che caratterizza il composito, rende l'ossido di grafene molto interessante come substrato per registrazioni ottiche multimodali. (I ricercatori hanno osservato che, bersagliando il materiale con un laser a impulsi ultra-brevi, si induceva un aumento dell'indice di rifrazione dalle 10 alle 100 volte).

Per dimostrare la fattibilità del meccanismo, il team di ricerca ha codificato l'immagine di un canguro in un ologramma generato dal computer. L'ologramma è stato poi "tradotto" sul polimero di ossido di grafene. Le figure così memorizzate non sono visibili con un normale microscopio ma possono essere recuperate (decodificate) attraverso diffrazione.

Questa scoperta, conclude il Professor Gu, non solo consentirebbe di aumentare il livello di
sicurezza dello stoccaggio, ma anche di ridurre i costi di funzionamento dei grandi data center.

 

GRAFENE E SILICIO INSIEME, UN PASSO AVANTI PER CELLE SOLARI PIU’ EFFICIENTI
Un nuovo studio, condotto dall'Istituto di ricerca tedesco Helmholtz Zentrum Berlin, ha dimostrato che il grafene conserva le sue straordinarie proprietà di conducibilità e trasparenza anche quando viene rivestito con il silicio.


Grazie alle sue caratteristiche di super-conducibilità e trasparenza (come avevamo accennato in un precedente articolo sui pannelli fotovoltaici del futuro), il grafene potrebbe essere il candidato ideale per la realizzazione di celle solari super efficienti: non scherma la radiazione in entrata e consente all'elettricità di correre veloce attraverso il suo reticolo di atomi di carbonio.

Tuttavia presenta un problema non da poco. A contatto con altri materiali, infatti, il grafene si altera significativamente, perdendo il suo potenziale.

Da qui, l'importanza della scoperta effettuata da
Marc Gluba e Norbert Nickel dell'Istituto di ricerca tedesco Helmholtz Zentrum Berlin. I due ricercatori sono riusciti a dimostrare che il grafene è in grado di conservare le sue caratteristiche anche se rivestito da una sottile pellicola di silicio.

«Abbiamo esaminato in che modo le proprietà del grafene cambiano una volta inserito in mezzo a strati simili a quelli che compongono una cella a film sottile in silicio e siamo rimasti sorpresi nel realizzare che l'alterazione è minima» commenta Gluba.

Per effettuare questa operazione, i due scienziati hanno fatto crescere il grafene su un foglio di rame, l'hanno poi trasferito su un substrato di vetro e ricoperto con una pellicola di silicio. L'esperimento è stato effettuato in due differenti versioni (comunemente usate nelle tecnologie convenzionali), sia con
silicio amorfo che con silicio policristallino.

Le misurazioni hanno dimostrato che il grafene rivestito di silicio ha una capacità di condurre la carica
30 volte superiore rispetto agli strati di ossido di zinco tradizionali. Una sfida vinta che richiede però ancora molto lavoro, secondo Gluba.

Lo studio, pubblicato sulla rivista 
Applied Physics Letters, è stato condotto su un campione di un solo centimetro quadrato, ma i ricercatori assicurano che può essere riprodotto anche su aree più grandi.

 

GRAFENE DI QUALITA’ GRAZIE ALL’OSSIGENO
I ricercatori dell'Università del Texas ad Austin hanno scoperto che, calibrando l'ossigeno nel processo di crescita del grafene su un substrato di rame, si possono ottenere campioni di materiale più uniformi e meglio utilizzabili in svariate applicazioni.

Calibrando l'ossigeno, insieme ad altre variabili come temperatura e pressione, nel processo di crescita del grafene su un substrato di rame, gli scienziati potrebbero essere in grado di ottenere cristalli di questo innovativo materiale più uniformi e meglio utilizzabili nei dispositivi elettronici e in altre applicazioni. E' la scoperta fatta recentemente da un team di ricercatori dell'Università del Texas ad Austin, pubblicata sulla rivista Science (clicca qui per leggere l'abstract).

La qualità del grafene, infatti, è influenzata da alcune
 imperfezioni che si generano nel materiale durante la fase di produzione. Imperfezioni che possono compromettere le sue straordinarie proprietà di resistenza e conducibilità elettrica e termica. Questi "difetti" si formano tra i singoli cristalli man mano che questi, aumentando sulla superficie usata in laboratorio (generalmente un foglio di rame) nel processo di sintesi, si "scontrano" tra loro. Ecco perché si pensa che la densità alla quale i singoli cristalli proliferano (chiamata densità di nucleazione) possa inficiare la qualità complessiva del prodotto finale.

Dopo tre anni di studio per capire in che modo controllare la densità di nucleazione,
Yufeng Hao, in collaborazione con Rodney S. Ruoff e Luigi Colombo, sembra aver trovato risposte proprio grazie all'ossigeno.

Bisogna specificare che generalmente il grafene viene coltivato in assenza di ossigeno, utilizzando un substrato di rame che catalizza la nucleazione e la crescita dei cristalli in presenza di
gas metano all'interno di un reattore ad alta temperatura (1000°C).

Nel loro studio, invece, i tre ricercatori hanno introdotto piccole quantità di ossigeno durante i cicli di crescita, osservando che in questo modo si otteneva il risultato sperato, cioè la
riduzione della densità di nucleazione. Tale fenomeno non solo ha permesso ai pochi cristalli generati di aumentare le proprie dimensioni (perché non più limitati dai cristalli adiacenti) ma anche di ottenere un prodotto finale con minori imperfezioni.

 

GRAFENE: ECCO COME SI LEGA AI MATERIALI SENZA COLLANTI, PRESERVANDO LE SUE PROPRIETA’
Grazie a un processo di "laminazione", i ricercatori del MIT, Massachusetts Institute of Technology, sono riusciti a trasferire il grafene su una vasta gamma di substrati flessibili senza danneggiarlo.

I ricercatori del MIT - Massachusetts Institute of Technology - sono riusciti, mediante un processo di laminazione, a trasferire il grafene su una grande varietà di substrati flessibili, senza passaggi intermedi o collanti. Una scoperta importante che aiuta a superare una serie di problematiche relative all'interazione tra grafene e altri materiali.

Per legare il
grafene, singolo strato di atomi di carbonio dalle incredibili proprietà elettroniche e meccaniche, a un substrato bersaglio, generalmente bisogna far ricorso a un polimero o a un'altra interfaccia che svolge il ruolo di trait d'union ma che spesso può contaminare il grafene e compromettere le sue caratteristiche.

La nuova tecnica messa a punto dal team guidato da
Paulo Araujo e da Jing Kong non richiede invece alcuna membrana intermedia o collante. I ricercatori hanno cominciato sintetizzando fiocchi di grafene su entrambi i lati di una lamina di rame (il procedimento standard che si usa per ottenere grafene di qualità). Successivamente i fiocchi sono stati inseriti tra la superficie flessibile scelta e uno strato di carta protettiva. Il "panino" così costituito è stato posto tra due fogli di plastica e "passato" in una macchina di laminazione a temperatura controllata: in questo modo vengono legati insieme i componenti. Infine, sono state rimosse la pellicola protettiva e quella di plastica e il restante materiale (quindi il foglio di rame, di grafene e il substrato bersaglio) è stato immerso in una sostanza in grado di sciogliere completamente il rame.

Un sistema che consente di evitare i contaminanti utilizzati nelle procedure tradizionali. «La nostra tecnica - sottolinea
Araujo - potrebbe contribuire a realizzare touchscreen di alta qualità flessibili, membrane filtranti per gas o liquidi e celle solari a base di grafene, per citare solo alcune delle applicazioni possibili».

Un passo importante su cui c'è ancora da lavorare. «Anche se abbiamo dimostrato che il trasferimento senza residui è possibile, il film ottenuto dovrebbe essere più continuo - conclude
Luiz Pimenta, membro del gruppo di ricerca - La mancanza di continuità è bene accetta in applicazioni come i filtri, molto meno in dispositivi touchscreen di alta qualità».

Per leggere l'abstract dello studio,
clicca qui!

ALLO STUDIO LA PRIMA STAMPANTE 3D PER IL GRAFENE
Dopo plastica, metallo, carta, resina e addirittura pietra, ora anche il grafene potrebbe rientrare nella rosa di materiali modellabili dalle stampanti 3D grazie a un progetto che vede collaborare l'American Graphite Technologies e l'Istituto di Fisica Kharkov (Ucraina).

Dalle bottiglie di plastica fino alla pietra, è in crescita l'elenco dei materiali che possono essere modellati e assemblati con una stampante 3D.

All'appello manca tuttavia il grafene, singolo strato di atomi di carbonio, che - grazie alle sue straordinarie proprietà di resistenza, leggerezza, flessibilità e conducibilità - potrebbe rivoluzionare il mondo tecnologico del futuro.

Sono infatti già tantissimi gli studi che lo vedono protagonista nelle più disparate applicazioni nel campo dell'elettronica, della bio-medicina e dell'energia, ma anche della mobilità e dell'architettura. Si pensi a display arrotolabili e trasparenti, a
dispositivi in grado di integrarsi perfettamente al nostro organismo, a pannelli solari a maggior resa, ad auto o aerei più resistenti e leggeri.

Plasmare e assemblare il grafene purtroppo però non è impresa facile: ecco perché riuscire a fabbricare pezzi di grafene di qualsiasi forma e spessore, per esempio con una stampante 3D, in modo flessibile, facile e veloce, rappresenterebbe un notevolissimo risultato.

Per colmare questa lacuna e accelerare così il processo di sviluppo di innovativi dispositivi a base di grafene, l'American Graphite Technologies, in collaborazione con l'Istituto di Fisica Kharkov (Ucraina), ha deciso quindi di cimentarsi nell'impresa e di adattare le stampanti 3D al grafene.

I due gruppi, dopo aver ricevuto l'approvazione dal Centro di Scienza e Tecnologia ucraino, hanno dato il via al progetto (che verrà seguito da un team di otto fisici) all'inizio del mese di ottobre scorso.

La ricerca è ancora agli esordi, ma il gruppo è fiducioso: «Abbiamo alcune idee interessanti e in caso di successo –

 sottolinea in un comunicato il CEO Rick Walchuk - ci auguriamo che i nostri sviluppi possano portare alla realizzazione di nuovi e innovativi prodotti per il mercato».

 

IN ITALIA SI STUDIERA’ IL GRAFENE CON IL MICROSCOPIO PIU’ POTENTE D’EUROPA
Acquisito dall'Istituto per la microelettronica e i microsistemi del Consiglio nazionale delle ricerche (Imm-Cnr), lo strumento consentirà di analizzare materiali soffici e strutture a base di carbonio come il grafene, con importanti ricadute nel campo della nano-elettronica e della sensoristica.


E' italiano il più potente microscopio elettronico analitico "sub-angstrom" d'Europa: acquisito dall'Istituto per la microelettronica e i microsistemi del Consiglio nazionale delle ricerche (Imm-Cnr), è stato recentemente inaugurato a Catania, presso i laboratori dell'Istituto ospitati nel centro di STMicroelectronics (ST) – azienda leader nella produzione di componenti elettronici a semiconduttore.

Un primato che ci consentirà di effettuare avanzamenti importanti nel campo della sensoristica e della nano-elettronica con possibilità di realizzare una vastissima gamma di dispositivi.

Lo strumento, denominato Arm 200, fa parte di una nuova classe di microscopi elettronici dalle caratteristiche eccezionali. «Ha una configurazione hardware che combina risoluzione spaziale atomica e contrasto chimico su una sola immagine, permettendo l'identificazione della struttura dei materiali, elemento per elemento, in tutte le proiezioni tridimensionali» spiega Corrado Spinella, direttore dell'Imm-Cnr.

E' anche il primo microscopio che opera a basse energie, sotto i 40 keV (kiloelettronvolt), e consente lo studio di substrati soffici e di strutture a base di carbonio come il
grafene, anche definito "materiale delle meraviglie" per le sue straordinarie proprietà di resistenza, conducibilità, flessibilità e leggerezza.

«In sostanza, sarà in grado di osservare ciò che può essere manipolato su scala atomica nei materiali, variandone le proprietà e le funzionalità», sottolinea il direttore dell'Imm-Cnr.

Queste caratteristiche promettono importanti sviluppi in ambito tecnologico. «Grazie alla possibilità di investigare i materiali a risoluzione sub-angstrom - conclude infatti Spinella - potremo realizzare una vastissima gamma di dispositivi superveloci e a basso consumo di energia, sistemi per la memorizzazione di enormi quantità di informazioni, strumenti per l'identificazione di marker biologici in quantità piccolissime di fluidi».

L'acquisizione del microscopio avviene nell'ambito del progetto "Beyond-Nano" del Cnr, finanziato dal Miur – Ministero Istruzione dell'Università e della Ricerca, e si inserisce nel consolidato rapporto di collaborazione tra il Consiglio Nazionale delle Ricerche e la STMicroelectronics.

GRAZIE AL GRAFENE, REALIZZATO IL PIU’ PICCOLO TRASMETTITORE FM DEL MONDO
Il nano-dispositivo, creato da un team di ricercatori della Columbia University, aprirà innovativi scenari con possibili applicazioni nei sistemi wireless di smartphone e tablet.


Il più piccolo trasmettitore radio FM del mondo è stato recentemente sviluppato nei laboratori della Columbia University. Un team di ricercatori, guidato dai professori James Hone e Kenneth Shepard, ha infatti sfruttato le sorprendenti proprietà di resistenza, elasticità e conducibilità elettrica del grafene per creare una versione miniaturizzata di un particolare componente elettronico chiamato oscillatore controllato in tensione (VCO - voltage controlled oscillator), dispositivo che consente di generare un segnale a modulazione di frequenza (FM),esattamente quello utilizzato per le trasmissioni radio. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, per leggere l'abstract, clicca qui!

Il prototipo, per il momento regolato su una frequenza di
100 megahertz (la banda radio FM va dagli 87,7 ai 108 MHz), è di gran lunga il più piccolo sistema di questo tipo mai esistito. Per sintonizzare il segnale di uscita, Hone e colleghi hanno usato toni puri ma anche canzoni, che sono stati poi riprodotti da un normale ricevitore radio.

Un primo passo che apre la via verso il miglioramento del processo
 di trasmissione senza fili e la progettazione di telefoni cellulari sottilissimi e super-efficienti. Questo dispositivo, infatti, potrebbe avere importanti applicazioni nei sistemi wireless di smartphone e tablet.

«Grazie alla continua miniaturizzazione dei circuiti elettrici, i telefoni cellulari di oggi hanno più potenza di calcolo rispetto a sistemi che un tempo occupavano intere stanze – spiega Shepard. Tuttavia, alcuni tipi di dispositivi, in particolare quelli coinvolti nella creazione e nell'elaborazione dei
segnali di radio-frequenza, sono molto più difficili da ridurre a livello dimensionale. Questi componenti occupano molto spazio e consumano un notevole quantitativo di energia elettrica, inoltre, difficilmente possono essere sintonizzati, richiedendo copie multiple per coprire la gamma di frequenze utilizzata nella comunicazione wireless».

Il trasmettitore in grafene è invece in grado di superare entrambi i problemi: è molto compatto, oltre che facilmente integrabile con altri componenti elettronici, e la sua frequenza può essere sintonizzata su ampia scala.

Il team sta ora lavorando per migliorare le prestazioni degli innovativi oscillatori al fine di ridurre i
rumori di fondo e di favorire l'integrazione con circuiti in silicio.

 

AUTO ELETTRICHE, GRAZIE AL GRAFENE SI RICARICHERANNO NELL’ARCO DI UNA FRENATA
Più precisamente in 16 secondi. La nuova tecnologia, che può sfruttare anche l'energia dissipata quando freniamo, è stata messa a punto dai ricercatori del Gwangju Institute of Science and Technology in Corea del Sud.

Ricaricare l'auto elettrica in pochi secondi, sfruttando l'energia dissipata in frenata. E' quanto stanno cercando di realizzare i ricercatori del Gwangju Institute of Science and Technology in Corea del Sud, attraverso lo studio di un supercapacitore ad alte prestazioni.

Protagonista dell'innovazione è, ancora una volta, il
grafene, il materiale delle meraviglie come spesso viene definito, costituito da un singolo strato di atomi di carbonio uniti a formare un reticolo dalle proprietà straordinarie.

Le batterie convenzionali utilizzate nel settore non sono infatti in grado di recuperare l'energia prodotta in fase di frenata perché hanno un meccanismo di ricarica molto lento. Più promettenti sono invece i
supercapacitori che riescono a caricare e scaricare l'energia rapidamente.

Questa tecnologia presenta tuttavia una problematica: la velocità di "azione" non consente al dispositivo di immagazzinare grandi quantitativi di energia. Inoltre, il sistema tende a consumarsi dopo un uso ripetuto (uno svantaggio significativo se si considera che dovrebbe sostenere milioni di cicli nel corso della vita di una vettura).

In questo contesto si inserisce il lavoro di
Santhakumar Kannappan e colleghi. Il team è riuscito a realizzare un supercapacitore di grafene in grado di immagazzinare quasi la stessa energia delle batterie convenzionali e, contemporaneamente, di ricaricarsi in pochi secondi, circa sedici, mantenendo la sua efficienza per decine di migliaia di cicli.

Il risultato è stato ottenuto utilizzando una forma altamente porosa di grafene con un'enorme superficie interna: si pensi che un solo grammo presenta una estensione pari a quella di un campo da basket. Questo elemento è fondamentale perché consente al sistema di raccogliere molto più elettrolita da cui, in ultima analisi, dipende la capacità di carica del supercondensatore.

Secondo i ricercatori il prodotto potrebbe venire utilizzato nel prossimo futuro all'interno delle auto elettriche, permettendo di raccogliere in modo efficiente molta dell'energia finora sprecata.

Per leggere l'abstract dello studio,
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GRAFENE, ANCORA UNA VOLTA PROTAGONISTA DELL’INNOVAZIONE SOSTENIBILE
Directa Plus, prima azienda in Europa a generare prodotti a base di grafene, è stata inserita nella top ten italiana delle start up "cleantech", le più innovative nel campo delle tecnologie sostenibili.


Ancora una volta il grafene, singolo strato di atomi di carbonio dalle straordinarie proprietà, si conferma protagonista della scena tecnologica ed ecologica del futuro. E questa volta lo fa con Directa Plus, prima azienda in Europa a generare, a livello industriale, prodotti a base di tale materiale.

La start up di Lomazzo (tra i nuovi fiori all'occhiello del parco tecnologico e scientifico lombardo
Como Next) è stata infatti eletta tra le prime dieci PMI, piccole e medie imprese, "cleantech" italiane.

La classifica - frutto del report sull'innovazione in Italia "Italy Cleantech 10 report: a lens on innovative Sme in Italy", stilato ogni anno dal
Cleantech Group, in collaborazione con Italy Cleantech Network, il Ministero dell'Ambiente e l'Italian Trade Agency (ICE) - mira a valorizzare le aziende che rivoluzioneranno il campo delle tecnologie sostenibili e ad attrarre su di esse investimenti.

Grazie alla sua attività di ricerca e sviluppo, Directa Plus ha brevettato il processo G+ per la generazione di nanoplatelets di grafene (polvere finissima composta da scaglie nanometriche di grafene da mescolare ad altri materiali) con applicazione nei campi più svariati: per esempio in quello della mobilità verde, con la realizzazione di pneumatici più performanti e meno impattanti sull'ambiente, o in quello dell'energia pulita, con batterie e supercapacitori più efficienti, ma anche nel settore della depurazione dell'acqua, grazie a filtri superpotenti.

A definire la classifica, tenendo presente sia le tecnologie sia le potenzialità di sviluppo e di mercato, un panel di investitori e rappresentanti di imprese che operano in questo settore nominato da Cleantech Group.

Tra le 150 candidature pervenute, oltre a Directa Plus, sono state selezionate:
40South Energy, azienda che produce energia elettrica sfruttando le onde; Beta Renewables, realtà che sviluppa biocarburanti da scarti agricoli e piante non destinate all'alimentazione; BMSolar, attiva nelle nuove tecnologie legate al fotovoltaico; Electro Power Systems, affermata nel settore delle celle a combustibile a idrogeno; i-EM, impresa che studia soluzioni ICT di gestione intelligente e integrata delle risorse energetiche; IpadLab, che offre servizi e prodotti di diagnosi delle malattie delle piante con metodi innovativi basati sulla biologia molecolare; Newlisi, specializzata nel trattamento di fanghi e acque di processo, riuso di acque depurate, recupero di sostanze nobili; Personal Factory (di cui avevamo già parlato qui!), che realizza sistemi per l'autoproduzione di malte, colle, premiscelati e prodotti chimici per l'edilizia; infine Underground Power, che ha brevettato una tecnologia per trasformare il traffico in una soluzione energetica pulita.

Per scaricare l'Italy Cleantech 10 report completo,
clicca qui!

NOKIA HA SVILUPPATO UN SENSORE DI UMIDITA’ SUPERVELOCE GRAZIE AL GRAFENE
La casa finlandese ha messo a punto, nel suo centro di ricerca a Cambridge, un dispositivo sottilissimo, trasparente e flessibile con un tempo di risposta record.


Un sensore di umidità superveloce per cellulari (che si attiva quando l'apparecchio viene a contatto con acqua o liquidi vari) è stato realizzato nei laboratori del centro di ricerca Nokia a Cambridge. Anche in questo caso, protagonista dell'innovazione è il grafene, oggetto già da tempo delle attenzioni della casa finlandese.

Nokia è infatti in prima linea nel progetto europeo
Flagship Graphene, di cui avevamo già parlato in un precedente articolo. Il programma, tra i più ambiziosi mai messi in campo dalla Commissione Europea, si propone - grazie a un finanziamento di un miliardo di euro - di sviluppare appieno tutte le potenzialità di questo materiale e di rivoluzionare il futuro tecnologico del continente.

Il dispositivo messo a punto dalla azienda, a base di ossido di grafene, è trasparente, flessibile, impermeabile all'acqua e sottilissimo, appena
15 nanometri. Quest'ultima caratteristica, in particolare, è responsabile delle sue prestazioni notevolmente superiori alla media.

Il
tempo di risposta del sensore, infatti, diminuisce al decrescere dello spessore della membrana. E in questo caso il tempo di risposta è di soli 100 millisecondi, a detta dei ricercatori, il più basso mai ottenuto.

Un passo avanti per la celebre casa produttrice che guarda al grafene con interesse anche per lo sviluppo di
sensori fotografici innovativi. Grazie alle straordinarie proprietà del materiale, in un futuro non troppo lontano, si potrebbero sviluppare infatti cameraphone ultrapiatti, dotati di sensori a risoluzione molto elevata.

 

PNEUMATICI AL GRAFENE IN CORSA PER IL PREMIO INNOVAZIONE AMICA DELL’AMBIENTE
Le innovative gomme, messe a punto grazie alla collaborazione tra Directa Plus e Vittoria, rivoluzioneranno il mondo delle due e delle quattro ruote in termini di sostenibilità, resistenza, velocità e sicurezza.

Chiuso il bando per partecipare al Premio all'Innovazione Amica dell'Ambiente, riconoscimento nazionale ideato da Legambiente e rivolto all'innovazione di impresa in campo ambientale. Il concorso ha l'obiettivo di diffondere le buone pratiche orientate alla sostenibilità, valorizzando le realtà che raccolgono la sfida green come un'opportunità irrinunciabile di sviluppo anche economico e sociale.

Tra le aziende in corsa per aggiudicarsi il premio quest'anno (che verrà assegnato a fine gennaio), anche Directa Plus (di cui avevamo già parlato qui!) - prima start up in Europa a generare a livello industriale prodotti a base di grafene - in collaborazione con Vittoria Group, leader mondiale nella produzione di pneumatici per biciclette.

I due marchi, insieme, hanno sviluppato una nuova tecnologia verde che rivoluzionerà il mondo delle due e delle quattro ruote. Si tratta di pneumatici realizzati addizionando piccole quantità di Graphene Plus (polvere finissima composta da scaglie nanometriche di grafene, ottenuta grazie al processo G+ brevettato da Directa Plus) alla mescola della gomma.

Il grafene, grazie alle sue straordinarie proprietà di resistenza (è il materiale più sottile e leggero al mondo, ma risulta 50 volte più resistente dell'acciaio) e conducibilità, prende il posto del carbon black (pigmento prodotto dalla combustione incompleta di prodotti petroliferi pesanti, di gran lunga più inquinante). Tale pigmento viene comunemente usato per rinforzare le caratteristiche meccaniche della gomma e per condurre il calore del battistrada sull'intera area della cintura dello pneumatico, riducendo il danno termico.

La minor quantità di grafene necessaria per svolgere questi compiti (con risultati migliori), si traduce in più gomma naturale nella mescola e quindi in una diminuzione del valore di
resistenza al rotolamento (che significa più velocità). Tale valore, in un prodotto così realizzato, si riduce infatti del 16%, mantenendo comunque elevati i livelli di aderenza alla strada. Non solo. L'innovativo materiale aumenta l'impermeabilità all'aria, e quindi la tenuta in pressione dello pneumatico, lasciando contemporaneamente invariata la sua leggerezza. Tutti elementi che rendono più sostenibile, efficiente, veloce e sicuro il mezzo.
Lo stesso discorso vale, poi, se si trasferisce la tecnologia nel
settore automobilistico. Considerando che quasi il 20% dell'energia consumata da un'automobile viene dissipata proprio a causa della "resistenza al rotolamento" - e che un maggior consumo di carburante determina maggiori emissioni di CO2 (nonché costi più elevati), si capisce ancor meglio come questa innovazione possa apportare notevolissimi benefici dal punto di vista ambientale ed economico.

 

FOTOVOLTAICO: ALLO STUDIO CELLE LOW COST A BASE DI GRAFENE
Obiettivo dei ricercatori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore è quello di sostituire gli elettrodi tradizionalmente usati nelle celle solari organiche con dispositivi in grafene, più economici e resistenti.

Inserire il grafene nelle celle solari organiche per renderle più economiche e durature. E' questo l'obiettivo dei ricercatori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore che hanno dimostrato con ricerche di laboratorio la possibilità di sostituire gli elettrodi di ossido di indio-stagno (ITO), comunemente usati nei pannelli di questo tipo, con corrispettivi dispositivi realizzati in grafene, paragonabili in termini di efficienza, ma migliori dal punto di vista dei costi, della resistenza e della capacità di trasmettere la luce.

Il grafene, anche definito materiale delle meraviglie per le sue sorprendenti proprietà, è molto versatile: costituito da un singolo strato di atomi di carbonio uniti in un reticolo a nido d'ape, non solo è 200 volte più resistente dell'acciaio, ma contemporaneamente superleggero, flessibile, trasparente e in grado di rispondere a sorgenti luminose con un ampio spettro di frequenze (come quella del sole).

Queste caratteristiche lo rendono particolarmente indicato per le celle solari organiche, meno efficienti dei pannelli tradizionali in silicio, ma molto più leggere, flessibili, potenzialmente trasparenti e con maggiori possibilità di applicazione (si pensi per esempio alle
finestre solari).

Non solo. A differenza dell'indio, che ha costi elevati e non è di facile reperimento, il grafene non è altro che un nano-strato di grafite, minerale che si trova in svariate parti del mondo, in grado di entrare nel mercato globale con un prezzo altamente competitivo.

Unico neo: il grafene presenta una resistenza elettrica quattro volte più alta di quella dell'ITO. Dato che tale resistenza si può abbattere impilando più fogli del materiale, il team di ricerca ha realizzato un elettrodo che vede sovrapposti quattro strati di grafene. In questo modo si raggiunge una prestazione simile a quella tradizionale e non si inficia il passaggio della luce che potrebbe essere compromesso da un numero superiore di strati.

Ulteriori passi avanti sono in procinto di essere compiuti: Wee Shing Koh, a capo dello studio, afferma che, migliorando il processo produttivo del grafene, si potrebbe presto raggiungere l'efficacia di un elettrodo ITO, usando solo uno o due strati del nuovo materiale.

DALLO ZUCCHERO SOFFIATO AL GRAFENE 3D

Un team di ricercatori del NIMS - National Institute for Materials Science - ha realizzato per la prima volta al mondo una struttura tridimensionale in grafene con l'utilizzo di una innovativa tecnica ispirata all'arte dello zucchero soffiato.

Fiori, ballerine, strutture astratte: con lo zucchero soffiato si può dare corpo a vere e proprie sculture da esposizione che sembrano realizzate in vetro. La tecnica di lavorazione dello zucchero che consente di ottenere questi strabilianti risultati ha origini antiche e regali: i primi a introdurla in cucina sono stati i cuochi e i pasticceri di Caterina de' Medici, consorte di Enrico II di Francia, copiando l'arte dei celebri vetrai di murano.

Oggi, ancora una volta, ritroviamo questa tecnica, ma in un altro campo, quello dei nanomateriali. I ricercatori del NIMS - National Institute for Materials Science - sono infatti riusciti, per la prima volta al mondo, a realizzare un prodotto con una struttura tridimensionale in grafene, utilizzando un metodo del tutto nuovo e unico, ispirato all'arte dello zucchero soffiato.

La scoperta è di grande rilevanza perché il grafene - singolo strato di atomi di carbonio dotato di straordinarie proprietà che non possono essere riscontrate in altri materiali a base di carbonio come la grafite, il diamante o i nano tubi - conserva queste caratteristiche solo nella sua forma bidimensionale. Attualmente è ancora molto complesso riuscire a realizzare un prodotto 3D che non abbia problematiche relative alla debolezza di connessione tra gli strati, alla scarsa conducibilità elettrica, alla ridotta superficie o a un'insufficiente resistenza/elasticità meccanica. Molti ricercatori hanno tentato di rendere il grafene tridimensionale, ma non sono mai riusciti a raggiungere il risultato senza deteriorarne le proprietà.

Questo innovativo processo chimico "soffiato", invece, consente di realizzare un prodotto 3D che non altera le caratteristiche del grafene, in modo facile, veloce ed economico, aprendo la strada a moltissime applicazioni industriali nel campo dell'
automotive e dell'energia.

La tecnica prevede che il glucosio e il sale di ammonio siano mescolati e riscaldati a circa 250 °C, per ottenere polimeri di glucosio. I polimeri vengono poi "soffiati" con i gas di ammoniaca derivanti dal processo che creano una pressione interna e generano una serie di piccole bolle nel polimero. A questo punto, il sistema viene ulteriormente riscaldato a 1350°C per trasformare le pareti del polimero in grafene. Il risultato è una struttura tridimensionale in grafene sostenuta da una rete di bolle.

Lo studio è pubblicato sulla rivista scientifica
Nature Communications.

 

COLEOTTERI E RAGANELLE ISPIRANO UN NUOVO SISTEMA PER PRODURRE IL GRAFENE
Copiando la natura, un team di ricercatori della National University of Singapore ha superato i limiti delle tecniche esistenti per far crescere grafene di qualità su substrati rigidi in silicio. Un passo che apre le porte alla realizzazione di innovativi dispositivi elettronici.

Insetti e anfibi ispirano un sistema per produrre grafene "senza difetti"- e quindi in grado di preservare le sue straordinarie proprietà - su un substrato rigido di silicio (la base su cui operano oggi la maggior parte dei dispositivi a semiconduttore, come per esempio i transistor).

Grazie alle caratteristiche del grafene questi dispositivi potrebbero subire una vera e propria rivoluzione. Finora, tuttavia, nessun metodo studiato era riuscito a integrare grafene "di alta qualità" - quindi con imperfezioni minime - ai materiali semiconduttori (come il silicio) per applicazioni anche nei settori più avanzati.

Un team di ricercatori della
National University of Singapore ha invece messo a punto un'innovativa tecnica che consente di trasferire e far crescere il materiale delle meraviglie ad hoc direttamente sul silicio (ma può essere usata anche su altri substrati rigidi), prendendo spunto dal modo in cui i coleotteri e le raganelle tengono le zampe attaccate alle foglie sommerse.

Nel nuovo processo, il grafene viene fatto crescere su un wafer di silicio rivestito da uno strato di rame. Il rame funziona da catalizzatore e il grafene si espande. Una volta conclusa l'operazione, il rame viene rimosso, mentre il grafene rimane ancorato al silicio grazie a bolle che formano un sistema capillare di ponti, molto simile a quello che si può osservare intorno alle zampe di coleotteri e raganelle fermi sulle foglie coperte d'acqua. La scoperta aprirà la strada a numerose applicazioni del grafene nel campo dell'elettronica e della fotonica per svariati tipi di dispositivi come modulatori optoelettronici, transistor o biosensori su chip.

 

PREMIO INNOVAZIONE AMICA DELL’AMBIENTE: MENZIONE SPECIALE PER GLI PNEUMATICI AL GRAFENE DI DIRECTA PLUS E VITTORIA SPA

Il progetto, considerato di fortissimo interesse per il suo potenziale, è stato segnalato come esempio di buona pratica ambientale dalla giuria della competizione promossa da Legambiente.

Directa Plus, prima azienda europea a generare a livello industriale prodotti a base di grafene - il cosiddetto materiale delle meraviglie - ha ricevuto una menzione speciale nell'ambito del Premio Innovazione Amica dell'Ambiente, promosso da Legambiente in partnership con Confindustria, Regione Lombardia, Politecnico di Milano, Università Bocconi e con il contributo di Fondazione Cariplo.

"Sostenibilità, intelligenza e bellezza" sono i temi su cui si è concentrato quest'anno il concorso, che si pone l'obiettivo di diffondere buone pratiche orientate alla sostenibilità ambientale, valorizzando quelle realtà in grado di raccogliere le sfide dell'ambiente come valore e opportunità irrinunciabile di sviluppo economico e sociale.

E proprio in quest'ottica, la start up di Lomazzo è stata segnalata per il suo progetto
"Grafene nella Gomma" (di cui abbiamo parlato qui!) - realizzato con Vittoria Group, leader mondiale nella produzione di pneumatici per biciclette. "Il progetto - sottolinea la giuria - è stato considerato di fortissimo interesse per il suo potenziale. Attualmente, l'azienda con un produttore leader di mercato di biciclette, ha individuato la modalità di utilizzo del grafene negli pneumatici per la linea da corsa. Si tratta di una nicchia, ma è il secondo prodotto al mondo a vedere un'applicazione concreta di un materiale e di una tecnologia emergente, considerata a livello europeo tra le più promettenti. L'azienda italiana, produttrice di grafene, è impegnata in ricerca e sviluppo per l'applicazione nei pneumatici per automotive''.

«La nostra tecnologia di produzione del grafene, fin dalla sua concezione, ha sempre messo al primo posto i valori di sostenibilità ambientale e sicurezza, con l'obiettivo di migliorare, attraverso i prodotti che contengono grafene, la qualità dell'ambiente e della vita dell'uomo -  commenta Giulio Cesareo, presidente e Ceo di Directa Plus. L'utilizzo del grafene negli pneumatici, per biciclette e per l'automotive - continua - è una delle numerose applicazioni green a cui stiamo lavorando. Solo per citare due esempi, il grafene ha rivelato proprietà straordinarie anche nella depurazione delle acque e dell'aria contaminate. La nostra azienda sta continuando con impegno il proprio percorso di ricerca applicativa, con risultati di grandissimo interesse, che ci hanno portato alla decisione di espandere la nostra realtà produttiva. Tra poche settimane inaugureremo infatti a Lomazzo Le Officine del Grafene, che ospiteranno, su un'area di 800 mq, il più grande impianto produttivo industriale di grafene in Europa». Tra i 151 candidati all'edizione 2013 (la dodicesima), 7 sono stati i vincitori e 12 le realtà segnalate per l'interesse suscitato (clicca qui per conoscerli tutti!).

ALLEGATO 2: ARTICOLI PUBBLICATI DA MEGLIOPOSSIBILE.COM NELLA SEZIONE “MINI-NEWS”

DA UNA FARFALLA LA NASCITA DI NUOVI SUPER MATERIALI

Ottenere nuove generazioni di super-materiali diventa possibile grazie alla scoperta di una 'farfalla': il primo a sperimentale questa possibilità è il grafene, il materiale più resistente e sottile del mondo, la cui scoperta è stata premaita con il Nobel.

INCHIOSTRO AL GRAFENE PRONTO PER LE STAMPANTI INK-JET

I ricercatori della Northwestern University dell’Illinois hanno creato un tipo di inchiostro al grafene utilizzabile nelle stampanti a getto d’inchiostro. Insieme alle sue altre qualità, il grafene è noto per essere altamente conduttivo, meccanicamente flessibile, e chimicamente stabile.

RACHID, UNA TESI AL GRAFENE

Massimo Gramellini, durante la Trasmissione Che Tempo Che Fa, racconta la storia di Rachid Khadiri, uno studente marocchino che si è laureato in ingegneria al Politecnico di Torino pochi giorni fa con una laurea sul Grafene. Da guardare. Guarda il video!



GRAFENE: A VENEZIA APRE I BATTENTI NANOTECHITALY 2013

Dal 27 al 29 novembre apre i battenti, a Venezia, NanotechItaly, una tre giorni tutta dedicata alle nanotecnologie. La manifestazione ospiterà conferenze, 5 workshop e oltre 70 relatori internazionali. Tra i protagonisti, ovviamente, anche il grafene! Due i momenti dedicati al materiale delle meraviglie: una lezione introduttiva, nella mattinata dil mercoledì 27 novembre, tenuta da Jari Kinaret, direttore della Graphene Flagship, e un workshop, nel pomeriggio di giovedì 28 novembre, sul grafene di seconda generazione (Second Generation Graphene: Opportunities and Challenges), organizzato dai professori Gaetano Granozzi e Michele Maggini dell'Università di Padova. Per saperne di più, clicca qui e visita il sito www.nanotechitaly.it

ALLO STUDIO IL PRESERVATIVO DEL FUTURO: GRAZIE AL GRAFENE PIU’ SOTTILE E RESISTENTE
Non solo è super resistente, elastico e sottile ma conduce anche il calore (e con esso il piacere): il grafene, singolo strato di atomi di carbonio uniti in una struttura a nido d'ape, potrebbe essere il candidato ideale per la messa a punto di condom di nuova generazione più sicuri, meno percettibili e in grado di regalare sensazioni più intense. I ricercatori della Manchester University stanno già studiando il prototipo che si spera, date le sue caratteristiche, faccia aumentare la percentuale di persone che usano il profilattico regolarmente.  Credono in questa innovazione anche Bill e Melinda Gates che, tramite la loro fondazione, hanno donato 100 mila dollari affinché il progetto venga sviluppato. Per approfondire, clicca qui!

CON LA LUCE “COMPRESSA” IL GRAFENE AUMENTA IL SUO POTERE

Un team di ricercatori dell'Istituto nanoscienze (Nano-Cnr) e dell'Istituto di fotonica e nanotecnologie (Ifn-Cnr) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) ha osservato un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per aumentare l'efficienza di dispositivi fotovoltaici come le celle solari. Il grafene, sottoposto a impulsi luminosi estremamente brevi, innesca un processo di moltiplicazione a cascata degli elettroni. Il risultato, in collaborazione con Politecnico di Milano, Scuola normale superiore e Università di Cambridge e Manchester, è pubblicato su Nature Communications. Uno studio simile era stato effettuato dall'Institute of Photonic Science (ICFO) di Barcellona (ne avevamo parlato qui!)

 

COMONEXT, LA CASA DELLE START UP PRODURRA’ IL GRAFENE

 ComoNExT, parco scientifico e tecnologico all'avanguardia, fiore all'occhiello lombardo, ha inaugurato i nuovi spazi della struttura: 2mila metri quadri, tra postazioni di lavoro open-space e laboratori di ricerca attrezzati, destinati a start up e giovani imprese che operano nel campo dell'innovazione. Un' ulteriore area è stata poi destinata alla produzione di grafene e verrà occupata da Directa Plus, azienda già presente nel polo e che ora punta a passare dalla fase sperimentale alla produzione vera e propria. Per approfondire l'argomento, clicca qui!

Pubblicato:

Venerdì, 25 Luglio 2014

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