I professori Andrej Gejm e Konstantin Novoselov due ricercatori dell’Università di Manchester nel 2004 utilizzando un nastro adesivo hanno ridotto un blocco di grafite allo spessore di un atomo, ottenendo il grafene.
La struttura del grafene è un reticolo esagonale di atomi di carbonio. E’ circa 200 volte più resistente dell’acciaio e più duro di un diamante delle stesse dimensioni. E’ leggero, pesa 0,77 mg per metro quadrato ed è estensibile con un’elevata resistenza alla trazione: il grafene può allungarsi fino al 20% della sua dimensione originale senza rompersi.
Il grafene ha una conduttività elettrica molto elevata, migliore del rame o del silicio, perché gli atomi di carbonio hanno quattro elettroni, “esterni”, tre dei quali formano legami nel reticolo, lasciando il quarto libero per la conduzione.
Ha anche una conduttività termica superiore rispetto ai nanotubi di carbonio, grafite e diamante, agisce come un conduttore isotropo, conducendo il calore in tutte le direzioni. Inoltre, la sua conduttività aumenta con le dimensioni. Ciò mette in discussione la convenzionale legge sulla conduzione termica, significa che il grafene potrebbe in teoria assorbire una quantità illimitata di calore.
I ricercatori dell’Università di Manchester hanno lavorato con scaglie di grafene per sviluppare filati a base di grafene, possono essere trasformati in indumenti da utilizzare come un sensore flessibile per inviare dati di temperatura o pressione a un dispositivo tramite Bluetooth o identificazione a radiofrequenza (RFID).
Il dott. Nazmul Karim del dipartimento Knowledge Exchange Fellow (Graphene) presso il National Graphene Institute, Università di Manchester, ha detto:
«Il team ha utilizzato l’ossido di grafene, è stato funzionalizzato per rivestire i filati tessili. Il grafene puro, derivato dall’esfoliazione meccanica, non è scalabile, quindi abbiamo usato un’esfoliazione in fase liquida per produrre un ridotto ossido di grafene [rGO], in questo modo abbiamo prodotto filati tessili elettro-conduttivi che possono essere lavorati a maglia».
Il grafene allo strappo è anche più resistente dell’acciaio ed è quasi impermeabile. Inoltre, è sottile, intorno a 0,34 nm, assorbe circa il 2,3% di luce bianca, lo rende trasparente all’occhio umano, quindi può essere usato come conduttore trasparente.
Le lastre benché perfettamente piatte siano inerti, le irregolarità strutturali o chimiche consentono di modificare il grafene per creare, ad esempio, l’ossido di grafene o il grafene fluorurato.
Ogni atomo di grafene è esposto al suo ambiente, così i sensori rilevano i cambiamenti di temperatura, le condizioni atmosferiche e la presenza di gas nocivi.
Oggi, il grafene è disponibile sotto forma di polvere, mescolato con polimeri, olio o acqua nei processi di micro-fluidizzazione, per l’uso in compositi, vernici, inchiostri e rivestimenti.
L’Unione Europea nel 2013 ha lanciato Graphene Flagship, un’iniziativa di ricerca sul Grafene con un budget di 1 miliardo di euro. Rappresenta una nuova forma di unire e coordinare iniziative di ricerca a una scala senza precedenti. Il programma triennale collabora con il mondo accademico e l’industria per capire cosa può fare il grafene e trovare prodotti e applicazioni commerciali.
I ricercatori hanno catalogato il grafene per le sue proprietà, è diventato chiaro che potrebbe essere utilizzato per molte altre applicazioni.
Il grafene è forte, leggero, sottile e flessibile. E’ la sostanza più sottile in grado di condurre elettricità, è un conduttore termico efficiente ed è otticamente trasparente.
In una forma funzionalizzata (cioè quando gruppi chimici compatibili sono aggiunti alla superficie del materiale per disperdere il grafene) è utilizzato con fibra di carbonio e prodotti compositi per rafforzare e ridurre il peso delle attrezzature sportive. Nei caschi protettivi, i compositi potenziati con grafene aumentano il rapporto resistenza / peso per migliorare la resistenza all’impatto.
Dominic Parson medaglia di bronzo britannica nelle Olimpiadi invernali del 2018 a PyeongChang, Corea del Sud, ha gareggiato con una slitta X22 che utilizzava Nanene, una polvere di nano-piastrine di grafene stratificata prodotta da Versarien. Stephen Hodge, responsabile della ricerca di Versarien, ha detto:
«La dispersione di Nanene in resina rimuove la struttura in carbonio per rendere i prodotti più leggeri. L’aggiunta di grafene a compositi plastici può migliorare la resistenza alla trazione e la rigidità della confezione. Il grafene non renderà il materiale indistruttibile ma potrebbe ridurre le dimensioni dell’imballaggio mantenendo le stesse proprietà. Ciò ha evidenti vantaggi per il trasporto di merci fragili, potrebbe anche contribuire al riciclaggio».
Oggi, il riciclaggio delle materie plastiche degrada la qualità della plastica, può essere riciclata in media tre volte, ma l’aggiunta di grafene alla plastica riciclata può migliorare la sua resistenza in modo che possa essere riciclata più volte.
Il grafene in oggetti familiari può anche essere utilizzato nella stampa dell’inchiostro per riprogettare i punti di contatto e sostituire i display.
Chris Jones, direttore tecnico di Novalia, un partner nell’unità europea Graphene Flagship, ha detto:
«L”inchiostro di stampa su un substrato incorporato nel cruscotto di un’automobile, ad esempio, collega gli oggetti al mondo digitale senza lo schermo di un computer. La nostra missione è far scomparire la tecnologia negli oggetti di uso quotidiano».
Novalia al Mobile World Congress di Barcellona di quest’anno, ha presentato un gioco da tavolo che ha i sensori stampati sulla lavagna usando inchiostro grafene. L’inchiostro è fornito dall’Università di Cambridge e prodotto dalla micro fluidificazione, utilizza un mix di acqua e grafite, sotto alta pressione, attraverso una pompa intensificante, scinde la grafite in grafene.
Chris Jones ha aggiunto:
«I sensori tattili capacitivi possono essere di qualsiasi dimensione o forma e stampati in volume, possono essere economici rispetto ai tradizionali design e interruttori di sensori, questi nel tempo possono guastarsi. Il piano stampato non può fallire, i pulsanti stampati con grafene si trovano dietro una grafica del gioco da tavolo. Toccando il grafico si attiva un’istruzione vocale, ad esempio “Sposta in avanti di tre spazi”».
L’utilizzo della tecnologia touch capacitiva significa che la presenza di un dito è sufficiente per attivare il sensore. Il passo successivo consiste nel stampare i sensori su un foglio di carta, può essere sovrapposto a un cruscotto del veicolo per un comodo funzionamento, ma anche per ridurre il peso nel veicolo. Al momento, per i sensori elettronici pelabile nei veicoli l’interesse è limitato, perché è relativamente economico utilizzare un iPad per controllare la navigazione.
L’inchiostro a base di grafene sta producendo risultati interessanti anche nella riduzione del costo di produzione delle celle solari perovskite (PSC). I ricercatori dell’Istituto Italiano di Technologia, Università di Roma Tor Vergata e BeDimensional – tutti partner di Graphene Flagship – per stabilizzare le PSC hanno sviluppato un inchiostro con punti quantici di bisolfuro di molibdeno e grafene.
I gruppi di ricerca hanno detto che l’inchiostro può essere applicato su qualsiasi superficie per produrre elettricità, ciò significa che le celle solari potrebbero essere verniciate sui tetti degli edifici.
