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NUOVI MATERIALI: IL GRAFENE

LA "MATITA" CHE DISEGNA IL FUTURO

Categoria // Ricerche, Nuove Tecnologie, Progetto Atanor, Scienze

Intervista con Giulio Cesareo alla scoperta del grafene e delle applicazioni che cambieranno le nostre vite.

geim e novoselov ricerca grafene
grafene: un materiale da Premio Nobel
Il grafene si è rivelato un materiale da Premio Nobel. Come è stato raggiunto questo traguardo?
La parola grafene scoperta dal grande pubblico con la notizia del premio Nobel per la fisica del 2010 potrebbe evocare l’immagine di un nuovo materiale misterioso, frutto di chi sa quale innovazione.

In realtà ogni volta che scriviamo con una matita, la sua mina, in grafite naturale, rilascia un lungo segno nero che è composto da miliardi di singoli fogli di grafene depositati uno sull’altro e rilasciati a pacchetti sul nostro foglio di carta.

A voler essere più scientifici possiamo definire il grafene come il mattone che sta alla base di tutti i materiali grafitici. Si tratta di un singolo foglio di atomi di carbonio contenuti in una configurazione bidimensionale a nido d’ape. Se viene appallottolato creando una sfera si ottiene il fullerene (0D), se viene arrotolato si ottiene il nano tubo di carbonio (1D), se vengono sovrapposti più fogli si ottiene la grafite (3D).

Vi sono solo due modi possibili per arrivare al singolo foglio di grafene: il metodo top down che parte da un blocco di grafite e la divide, spesso per pura azione meccanica, nei suoi componenti base arrivando al singolo strato di atomi. Al contrario, il metodo bottom up - sfruttando reazioni chimico fisiche - parte dagli atomi di carbonio che vengono posizionati secondo una geometria esagonale sul piano per creare la struttura a due dimensioni del grafene.

I vincitori del premio Nobel per la fisica 2010, Geim e Novoselov, hanno utilizzato il primo metodo, sfruttando un banale nastro adesivo e facendo affidamento sull’osservazione che il singolo foglio di grafene diviene visibile al microscopio ottico se posizionato su un appropriato piano di silicio.
 
Geim ha definito la sua creatura “il materiale del miracolo”, al punto da poter essere paragonato solo all’irrompere sulla scena, a partire dagli anni '60, della plastica e dei suoi materiali.

Basta pensare che con 0,77 milligrammi di grafene si potrebbe costruire un’amaca per un micio di quattro chili. Praticamente il peso dell’amaca equivarrebbe a quello di un baffo … del gatto.

Mi sembra curioso, ma anche affascinante, notare come la logica del “fare e non quella di imparare a fare” sia alla base della scoperta che è valsa il Premio Nobel. Infatti Geim e Novoselov hanno voluto seguire il loro istinto non fidandosi degli studi dei fisici (Landau e Peierls) che li avevano preceduti. Quest’ultimi infatti sostenevano nei loro studi l’impossibilità di arrivare a una struttura bidimensionale di atomi di carbonio.
 
E per entrare nel dettaglio a noi più vicino?
Credo sia giusto riflettere su come, sempre più spesso, l’innovazione entra nelle nostre vite… in punta di piedi (un nuovo cellulare, un nuovo videogioco, la data di scadenza di un medicinale, etc.) e noi difficilmente riusciamo ad accorgercene. Anche il grafene arriverà inizialmente nelle nostre case all’interno di prodotti a noi noti. Questi prodotti avranno magari proprietà migliori e dimensioni ridotte.
 
Il primo grande ostacolo da superare per il grafene è legato alla sua produzione. Non potrà certamente essere prodotto con la tecnica sviluppata dai vincitori del Nobel. Quest’ultimi infatti si sono affidati all’azione di strappo esercitata da un nastro adesivo su di un blocco di grafite.

Per entrare nella vita di tutti noi il grafene dovrà essere prodotto in un modo industriale, con un processo affidabile cioè continuo (basso costo di prodotto), economico (basso costo di impianto), sostenibile (alta disponibilità e basso costo delle materie prime).
 
Directa Plus ha brevettato e sviluppato (negli USA) un processo che abbiamo chiamato G+. Questo processo ha tutte le caratteristiche che abbiamo citato sopra. Nei prossimi mesi ci apprestiamo a trasferire la tecnologia dagli Stati Uniti all’Italia installando, nel nostro Paese, il primo impianto industriale per la produzione del grafene.

Abbiamo anche definito un primo gruppo di applicazioni nelle quali testare il nostro materiale.
 
All’inizio sarà proposto come additivo per migliorare prodotti esistenti  come: gomme per auto (in sostituzione del carbon black che ha attualmente, secondo la società di ricerche Freedonia, un mercato di $ 4,6 miliardi), batterie agli ioni di litio (auto ibride/elettriche mercato stimato in $ 2,5 miliardi, fonte Freedonia). 

In una fase successiva passeremo a mercati legati a prodotti del tutto nuovi. Tra questi, il principale è quello dell’elettronica dove il grafene verrà usato per costruire i nuovi chips, per trasferire il calore dalle zone critiche dei circuiti, per il fotovoltaico di nuova generazione. In parallelo potrà essere testato per molte altre applicazioni. Stiamo analizzandone l’utilizzo come: additivo nei polimeri conduttivi, come base per le nuove fibre di carbonio, come additivo nei cementi per ottenere un effetto insonorizzante, come antifiamma nei tessuti, per la preparazione di inchiostri conduttivi, per la purificazione dell’acqua potabile da elementi tossici come l’arsenico.  
 
La versatilità di questa pellicola si dispiega soprattutto come?
Come si può intuire delle molteplici possibili applicazioni del grafene la tecnologia per la sua produzione è quella che gli americani definiscono una enabling technology, cioè un tecnologia abilitante. Significa che da sola, o associata ad altre tecnologie, è in grado di offrire a un costo accettabile all’utilizzatore finale del prodotto, grandi incrementi nelle prestazioni e nelle proprietà di quanto acquistato.

Questa capacità è legata alle proprietà specifiche del grafene che sono:
l’incredibile area di contatto (circa 2500 m2 per grammo) che facilita qualsiasi processo chimico, la resistenza meccanica (circa 50 volte superiore a quella dell’acciaio), la conducibilità termica (più del doppio di quella del diamante), la densità (pari alla metà di quella dell’alluminio), l’elasticità (pari a 6 volte quello dell’acciaio).
 
Tra i settori di possibile applicazione del grafene, quali sono quelli con le prospettive di mercato più ampie ?
Senza dubbio l’elettronica sarà il settore con le più ampie prospettive, anche se ritengo che queste ultime saranno esplose in un arco di tempo relativamente lungo. La considerazione alla base della mia affermazione è semplice, per poter procedere nella miniaturizzazione dei circuiti (come indicato dalla legge di Moore che dice: «Le prestazioni dei processori, e il numero di transistor a esso relativo, raddoppiano ogni 18 mesi»), bisognerà utilizzare un materiale alternativo al silicio e il grafene è il primo candidato per questa applicazione.
Schermi flessibili e processi fotovoltaici di nuova generazione utilizzeranno inoltre il grafene sfruttandone la conducibilità elettrica, l’elasticità e la trasparenza.

Seguiranno le batterie di nuova concezione (ioni di litio). Il loro sviluppo sarà spinto dalla necessità del settore automobilistico di avere batterie potenti e leggere per le auto ibride ed elettriche.

Moltissime altre applicazioni (gomme per auto, polimeri conduttivi, tessuti antifiamma, purificazione delle acque, cementi insonorizzanti, inchiostri conduttivi, etc ) cresceranno più o meno rapidamente in funzione di quanto rapidamente verrà reso disponibile grafene in quantitativi significativi e a costi contenuti.
 
Quali sono i principali vantaggi in termini di sostenibilità economica e ambientale?
La sostenibilità economica sarà strettamente legata al processo produttivo. Il processo, come precedentemente descritto dovrà essere affidabile, dovrà richiedere un investimento contenuto (per ottenere una rapida diffusione ) e dovrà generare un prodotto a un costo tale da renderlo appetibile per il maggior numero di applicazioni.

La sostenibilità ambientale sarà garantita dall’utilizzo di materie prime disponibili in grandi quantitativi a basso costo. La materie prime dovranno anche essere disponibili ovunque senza particolari concentrazioni di tipo geopolitico. Quest’ultima può sembrare un' affermazione forse troppo vincolante, ma ritengo importante fare notare che attualmente la Cina controlla il 97% dell’offerta mondiale di 17 terre rare. Tra queste vi sono il lantanio che è utilizzato in batterie di nuova generazione e il neodimio che è utilizzato per la costruzione dei super magneti.

Un altro punto a vantaggio della sostenibilità ambientale del grafene è direttamente legato agli aspetti di salute e ambiente. La sua conformazione fisica a due dimensioni lo rende “nano” solo per quanto riguarda lo spessore del foglio mentre le dimensioni "axb" sono sempre “macro”. Questo fatto evita il rischio che possa, attraverso il sangue, entrare nelle cellule umane (come invece può avvenire per i nano tubi) scatenando gravi patologie per la salute umana, patologie che sono del tutto paragonabili ai problemi causati dall’esposizione all’amianto.

Voglio inoltre sottolineare che il processo di Directa Plus, oltre ai vantaggi legati alla affidabilità, al basso costo di impianto e prodotto, alle materie prime disponibili, menzionati precedentemente, è stato concepito per essere installato all’interno dell’unità produttiva dell’utilizzatore. In questo modo verranno ridotti notevolmente i costi, gli sprechi e l’inquinamento ambientale legati al trasporto dei materiali.
 
Gli italiani amano i gadget tecnologici, ma come divulgare al meglio i nuovi materiali?
Saranno i grandi vantaggi apportati dal grafene ai prodottii esistenti (strumenti elettronici più piccoli, versatili e potenti , gomme a basso consumo, etc.) ad autopromuovere questo incredibile materiale. Si può facilmente ipotizzare che per una fascia sempre più ampia di consumatori sarà il desiderio di possedere prodotti ad alto contenuto di tecnologia ad attivare il meccanismo di acquisto.

È quindi importante sottolineare che la tecnologia che riuscirà per prima a offrire grafene in grandi quantitativi per applicazioni industriali potrà cogliere vantaggi strategici nel comunicare in modo corretto la presenza del nano materiale nel prodotto finale. Per questa ragione Directa Plus sta sviluppando un apposito logo che segnalerà al consumatore finale la presenza di grafene prodotto con la nostra tecnologia G+ all’interno del prodotto acquistato.
 
Cosa ritiene sia in assoluto più importante comunicare riguardo al grafene?
Come detto in precedenza, le proprietà chimico fisiche di questo nuovo materiale lo porteranno automaticamente all’attenta considerazione degli esperti industriali, mentre i grandi miglioramenti che porterà al prodotto finito invece lo segnaleranno all’attenzione dei consumatori.

Ritengo personalmente che un altro aspetto importante della comunicazione debba tener conto del timore che ogni novità scientifica sempre scatena nella mente di tutti noi. Bisogna avere il coraggio di accettare il concetto della “necessità di citare il rischio rispetto al principio di precauzione”. In poche parole bisogna avere l’onestà di indicare sempre la presenza di nano particelle nel prodotto, perché chiunque acquisti prodotti contenenti nano particelle, sia informato correttamente su  cosa ha scelto.

Credo che il grafene possa divenire, a breve , il ”nuovo carburante” per dare notevoli accelerazioni al processo di miglioramento dei prodotti esistenti. Queste accelerazioni modificheranno, rinnovandole, le curve di vita di molti prodotti.

La versatilità del grafene, la sua disponibilità a basso costo, le sue incredibili proprietà fisiche, sono una grande opportunità da cogliere per tutti noi. Non solo chi opera, come Directa Plus, nel campo dell’innovazione potrà averne importanti vantaggi, ma le ricadute positive principali avverranno soprattutto per quelle imprese che sfruttando l’innovazione tecnologica offerta opereranno per recuperare mercati e competitività, sia nazionale che internazionale.

Per concludere, mi piace pensare che un grande Paese “manifatturiero” come l’Italia potrebbe ottenere un interessante beneficio facendo leva sulla capacità e celerità delle sue piccole e medie imprese di cogliere rapidamente il vantaggio competitivo offerto. Per questa ragione sono molto orgoglioso di aver deciso di “andare contro corrente” : mentre molti scappano, cercando all’estero nuove opportunità per le proprie imprese, noi di Directa Plus portiamo in Italia questa dirompente tecnologia innovativa. (Fine)
 
Altre info e foto sul sito:
Antonella Cicalò

Pubblicato:

Martedì, 05 Aprile 2011

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