Condividi su:

Chi sarebbe stato certo, prima della sua scoperta, che un sottilissimo strato di atomi di carbonio avrebbe generato un enorme interesse scientifico e tecnologico? Si tratta del grafene, un materiale che, grazie alle sue particolari proprietà, potrebbe innovare prodotti e processi industriali in molti settori diversi.

Il grafene è formato da un singolo reticolo bidimensionale di atomi di carbonio, uniti assieme a formare una struttura molto simile alle cellette esagonali di un alveare. Se immaginiamo di sovrapporre moltissimi reticoli di grafene, possiamo visualizzare la struttura tridimensionale della grafite. Sebbene già dalla prima metà del XX secolo alcuni scienziati avessero teorizzato l’esistenza del grafene come sostanza isolabile dalla grafite, solo più recentemente, nel 2004, gli scienziati Geim e Novoselov hanno avuto successo nell’impresa. A questa scoperta è stato assegnato il premio Nobel nel 2010 e da essa è scaturita una vasta produzione scientifica.

Le sue potenzialità sono ampiamente riconosciute: lo testimoniano anche eventi come la 17esima edizione della “Graphene Week”. Dal 5 al 9 settembre 2022, la città di Monaco ha ospitato questa conferenza parte del “Graphene Flagship”, un progetto fondato nel 2013 dalla Commissione Europea (e finanziato con 1 miliardo di euro dall’UE) che ha l’obiettivo di sostenere la ricerca sul grafene e di trasferirne i risultati al mondo industriale. Ma cosa si può fare con il grafene?

Leggendo l’ultimo report prodotto dal “Graphene Flagship”, ci si può accorgere di come la ricerca sul grafene coinvolga la bioingegneria, la generazione e lo stoccaggio dell’energia, l’elettronica, la sintesi di materiali compositi e molti altri ambiti. L’ostacolo più importante, che emerge in quasi ogni campo coperto dal progetto, è il livello di maturità tecnologica. Per misurarlo è possibile fare affidamento su una scala numerica che permette di comprendere se una tecnologia è realmente pronta e affidabile, soprattutto in un’ottica di mercato. Il livello massimo della scala, 9, è assegnato ad una tecnologia per cui sia stata prodotta una “dimostrazione completa del sistema in un ambiente operativo reale”. Secondo quest’ultimo report, con poche eccezioni, la maggior parte delle applicazioni si colloca tra il livello 3 e il livello 6: ciò significa che, come è riportato dagli stessi autori del report, gli sforzi e i finanziamenti dei prossimi anni dovranno essere dedicati alla maturazione completa delle tecnologie che si sono rivelate valide a livello industriale, affinchè possano avere un impatto effettivo sul mercato. Tra gli altri fattori che sono di ostacolo a questo ulteriore sviluppo ci sono anche il costo dei processi che permettono di ottenere un prodotto di alta qualità e la loro diffusione su larga scala.

Come si può usare il grafene per raggiungere uno sviluppo sostenibile?

Le applicazioni del grafene, quando raggiungeranno la maturità tecnologica, potranno essere d’aiuto nel raggiungimento di alcuni degli obiettivi di sviluppo sostenibile descritti dalle Nazioni Unite: in particolare, potrebbero essere utili per garantire l’accesso all’acqua potabile e la generazione di energia da fonti sostenibili. Il grafene è il materiale più sottile, leggero e resistente scoperto fino ad ora: può essere per esempio usato, assieme ad altri materiali, per costruire delle membrane che siano utili per purificare e rendere potabile l’acqua. Grazie alla sovrapposizione di diversi strati di ossido di grafene (materiale simile a quello sopra descritto, ma con in più degli atomi di ossigeno nella sua struttura), oppure grazie al design di membrane di grafene con dei piccolissimi pori nella loro struttura (chiamati nanopori), si potrebbero creare dei sistemi più efficaci di quelli esistenti sul mercato. Un ulteriore vantaggio di queste membrane potrebbe essere quello di rendere meno dispendioso a livello energetico, e quindi a livello economico, i processi di desalinizzazione dell’acqua.

Il grafene è anche un eccellente conduttore elettrico e, per questo, può essere utilizzato nell’ambito dell’elettronica e dell’energia: come si legge dal report, può essere applicato al design di semiconduttori che integrino il grafene assieme al silicio, oppure essere usato per migliorare l’efficienza dei pannelli solari e delle batterie in cui è inserito. In particolare, lo sviluppo tecnologico futuro di queste ultime sarà indispensabile per riuscire a conservare l’energia proveniente da una fonte aleatoria (dato che non è sempre disponibile) come quella solare.

Tutte le applicazioni citate non hanno ancora raggiunto il massimo livello di maturità tecnologica: dato che le fasi della ricerca di base e della validazione della tecnologia in laboratorio sono già state superate, i progressi futuri dovranno puntare al raggiungimento della loro piena operatività e competitività sul mercato.