Il grafene: che cos'è e a cosa può servire

Nanotecnologia, grafene, nanotubi: da termini usati solo nei laboratori scientifici, sono diventate parole che iniziano a far parte del linguaggio comune, anche se il loro significato esatto resta un mistero per molti. L’Unione Europea ha recentemente stanziato un miliardo di euro per sviluppare il grafene e raggiungere le aziende e le università americane ed asiatiche che lo studiano già da quasi un decennio. La strada è ancora lunga ma la realtà è che questi concetti apriranno la strada a tutte le tecnologie che cambieranno radicalmente le nostre vite e il mondo in cui viviamo nel corso dei prossimi decenni. Questa rivoluzione è già iniziata e - anche se per ora resta confinata alle università e ai centri di ricerca e sviluppo - la sua promessa è quella di un mondo migliore sotto tutti gli aspetti.

Il grafene e la nanotecnologia

È impossibile parlare di grafene senza parlare di nanotecnologia o “nanotecnologie”, cioè la manipolazione della materia a un livello atomico e molecolare. Oggi il termine nanotecnologie racchiude tutti i processi che coinvologono la lavorazione di materiali “spessi” tra un nanometro (cioè un miliardesimo di metro) e 100 nanometri.
Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico (quindi spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri) di atomi di carbonio, in cui gli atomi si dispongono a formare esagoni regolari con angoli di 120°. Per ottenerlo si tratta la grafite (un minerale associato al carbonio) con una soluzione di acido solforico e nitrico.

Il materiale delle meraviglie

La scoperta del grafene nel 2004 da parte Andre Geim e Kostantin Novoselov dell’Università di Manchester – con tanto di primo transistor realizzato in grafene – è valsa ai due scienziati russi il Nobel per la fisica nel 2010. Da allora il grafene ha dimostrato in laboratorio un potenziale talmente elevato da guadagnarsi l’appellativo di “materiale delle meraviglie” e, anche se un po’ in ritardo rispetto alle potenze americane ed asiatiche, la UE ha stanziato un miliardo di euro per svilupparne la ricerca nell’arco dei prossimi 10 anni.
Il grafene è il materiale più sottile ed è tra i più leggeri che esistono; è incredibilmente denso, trasparente, resistente allo stress (1.000 volte più dell’acciaio), efficiente come conduttore di calore ed elettricità, resistente alla temperatura e alle variazioni del pH.  Le sue applicazioni vanno dall’elettrodinamica alla chimica fisica e organica, ai semiconduttori e alla produzione di schermi.
Il suo potenziale è talmente enorme che diversi colossi dell’elettronica si stanno già dando battaglia a colpi di brevetti: tra questi i principali sono IBM, Samsung, Sandisk, Xerox, oltre ad alcune università americane, cinesi e coreane. Al primo posto in assoluto ci sono i cinesi con 2.204 brevetti (il 30% del totale). Sono seguiti dagli americani (1.754 brevetti, 23%) e dai sud coreani (1.160 brevetti, 15%). Il principale detentore europeo di brevetti è l’Inghilterra, con 54, meno dell’1% del totale.

Nanotubi e Buckyball

Arrotolando i “fogli” di grafene è possibile ottenere delle struttura chiamate “nanotubi di carbonio” che a loro volta vantano ulteriori proprietà eccezionali. Ad esempio sono sottilissimi (hanno un diametro di pochi atomi) ma resistentissimi. Infatti, essendo tutti gli atomi di carbonio collegati tra loro, un nanotubo è, di fatto, una singola molecola con una superficie vastissima.
Con il grafene – o meglio con qualsiasi fullerene (cioè molecole composte interamente di carbonio senza per forza avere una struttura regolare come per il grafene) – si possono creare anche delle strutture chiamate buckyball, delle specie di nanotubi che però assumono una forma sferica, molto simile a un pallone da calcio. Combinando fogli di grafene, nanotubi e buckyball è possibile ottenere materiali e strutture che potrebbero rivoluzionare molte delle tecnologie attuali. Nel prossimo punto vi sveliamo quali.

Il futuro del grafene

Uno dei campi che potrebbe maggiormente beneficiare dall’applicazione applicazione del grafene è quello delle tecnologie verdi. Con i nanotubi sarà possibile creare transistor dotati di una vasta superficie e di una bassissima resistenza elettrica, oppure sviluppare materiali resistentissimi e allo stesso tempo leggerissimi, ideali per l’industria aeronautica (quindi per ridurre drasticamente i consumi degli aeroplani) o per produrre pale eoliche più efficienti.
Usando il grafene come elettrodo su strutture composte da nanotubi e buckyballs si potranno realizzare pannelli solari interamente in carbonio (eliminando i metalli), più efficienti e facili da riciclare. Le auto a idrogeno potranno avere serbatoi più piccoli ma in grado di contenere maggiori quantità del carburante e saranno più piccole ma anche più efficienti.
Il settore che per primo vedrà le applicazioni commerciali del grafene sarà l’Information Technology (IT). Il grafene, infatti, può essere utilizzato per sostituire gli elettrodi in indio negli schermi OLED (i display sottilissimi di prossima generazione), rendendoli - alla lunga - meno costosi da produrre. Samsung da sola detiene già 407 brevetti legati al grafene. Anche il segmento “mobile” potrà beneficare dall’utilizzo del grafene attraverso batterie agli ioni di litio in gradi di ricaricarsi molto più rapidamente e, più avanti, attraverso sistemi energetici interamente in grafene.
Sfruttando alcune particolarità del materiale – come ad esempio il fatto che alcune particolari molecole sensibili a certe malattie si attaccano agli atomi di carbonio – sarà poi possibile usarlo anche in campo medico, per creare nuovi strumenti di diagnostica molti simili a quel tricorder che i dottori nell’universo fantascientifico di Star Trek.
Un progetto più concreto, già brevettato da Lockheed Martin, è l’utilizzo di grandi strati di grafene (sotto forma di dei particolari fogli perforati chiamati “perforene”), per desalinizzare l’acqua marina in maniera estremamente efficiente e con un dispendio minimo di energia. Uno strato di perforene, infatti, tratterrebbe il sale e lascerebbe passare solo l’acqua.

La realtà del grafene

Purtroppo, al momento, l’utilizzo commerciale di questo materiale delle meraviglie si scontra con logiche economiche proibitive: il costo di produrre un chilogrammo di grafene si calcola nelle decine di migliaia di euro (circa 30-35.000 euro).
L’idea che il grafene rimpiazzerà il silicio nei processori di domani, per ora, resta una chimera. Oggi ci troviamo in una fase comparabile allo sviluppo dei primi transistor: erano enormi e computer con una potenza di calcolo oggi ridicola occupavano stanza intere: gli scienziati avevano capito di avere scoperto qualcosa di fondamentale per il futuro ma ci sarebbero voluti ancora molti decenni per arrivare a produrli in massa. Il grafene potrebbe avere ripercussioni ancora più determinanti, aiutandoci a rendere tutto il mondo più connesso, più verde e più efficiente ma per ora rimane solo uno splendido sogno ad occhi aperti. Tra dieci anni (e un miliardo di euro), però, potrebbe essere decisamente più concreto.