Grafene e nanotecnologia

Le nanotecnologie sono l’insieme di metodi e tecniche per la manipolazione della materia su scala atomica e molecolare e hanno l’obiettivo di costruire materiali e prodotti con caratteristiche chimiche e fisiche speciali e superiori rispetto a quelle dei materiali tradizionali.

Stiamo parlando di una tecnologia che si occupa del controllo della materia su scala dimensionale inferiore al nanometro, ovvero intorno ad un miliardesimo di metro.

Cosa rende interessante la manipolazione della materia a livelli così piccoli? Il fatto è che, a dimensioni nanometriche, cambiano le proprietà chimiche e fisiche della materia.

Questo perché, in termini generici, nell’infinitamente piccolo conta meno la forza di gravità e diventano più importanti altre forze.

Gli scienziati stanno dedicando sempre più energie a questo mondo affascinante, le cui applicazioni sono trasversali in tutti i campi della scienza applicata, dalla medicina alla meccanica all’elettronica.

Manipolare la materia a scala atomica non è un’attività semplice ed economica, ma le prospettive appaiono strabilianti.

Anche a partire dai semplici atomi di carbonio, si possono realizzare, strutture di forma, proprietà e utilizzo molto differenti. Nanotubi, fullerene, grafene sono termini utilizzati per descrivere alcune di queste strutture.

Un posto di rilievo spetta proprio al grafene.

È un materiale costituito da uno strato di atomi di carbonio, disposti a esagono. Per ottenerlo utilizza la grafite, che viene trattata con procedure alquanto complesse.

La scoperta del grafene risale al 2004 e ha portato i due scienziati russi (Geim e Novoselov ) a vincere il Nobel per la fisica. Almeno in laboratorio, il grafene ha mostrato proprietà innovative tali da essere definito il “materiale delle meraviglie”.

Meccanicamente è 1.000 volte più robusto e resistente dell’acciaio, leggerissimo, conduce le cariche elettriche molto più del rame e di altri metalli, è impermeabile ai gas e insensibile all’acidità.

Per l’industria, la vera sfida sarà trasferire le proprietà del grafene, uniche ed eccezionali, in materiali reali. Quindi passare dal livello nanoscopico a quello macroscopico.

Una volta vinta questa sfida tecnologica, sarà possibile creare materiali compositi a base di grafene che possano permettere, ad esempio, di avere aerei superleggeri e ultraresistenti, nuovi tipi di parti di automobili, batterie che durino di più, sensori ipersensibili per applicazioni biomedicali.

Arrotolando i “fogli” di grafene è possibile poi ottenere delle strutture chiamate “nanotubi di carbonio” che, a loro volta, hanno ulteriori proprietà eccezionali.

Oltre che l’Elettronica, uno dei settori che potrebbe maggiormente beneficiare dall’applicazione del grafene è quello ambientale. Sarà possibile creare transistor con bassissima resistenza elettrica, oppure sviluppare materiali estremamente leggeri e resistenti, in grado di ridurre i consumi di molti mezzi di trasporto, aerei in primis, produrre pale eoliche migliori e pannelli solari molto più efficienti di quelli in silicio. Inoltre, si potrà desalinizzare l’acqua marina quasi senza dispendio di energia, utilizzando il grafene come un filtro che trattiene il sale.

Sfruttando determinate specificità del materiale – come ad esempio il fatto che alcune particolari molecole sensibili a certe malattie si attacchino agli atomi di carbonio – sarà poi possibile usarlo anche in campo medico, per creare nuovi strumenti di diagnostica o per veicolare, con estrema precisione, molecole curative in campo oncologico.

Purtroppo, al momento, l’utilizzo commerciale di questo materiale delle meraviglie si scontra con logiche economiche proibitive: il costo per produrre un chilogrammo di grafene si calcola nelle decine di migliaia di euro (circa 30-35.000 euro), ma, come per tutte le tecnologie nuove, la curva di discesa dei prezzi sarà esponenziale e in un decennio si stima possa entrare nei normali processi produttivi.

La Comunità europea tramite il ‘ Graphene Flagship’, ha avviato un progetto da 1 miliardo di euro di finanziamenti della durata di 10 anni, che riunisce 140 istituti di 23 Paesi, tra cui l’Italia.

A parte l’attenzione in ambito scientifico, dal punto di vista economico ci interessa sapere che il mercato collegato alle nanotecnologie potrebbe essere 5 volte più grande dell’attuale mercato dei semiconduttori e rappresentare quindi un’opportunità di investimento valida.

Anche il mondo finanziario, quindi, sta iniziando a interessarsi a tutte le opportunità collegate ai nuovi materiali, che spesso vengono definiti ‘smart’.

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