La guida di Motherboard al grafene

La tecnologia e la scienza stanno semplificando qualunque aspetto della nostra vita, ma se c'è una cosa che rimane ancora difficilissima quella cosa è stare sul pezzo. Il 2018 sarà un anno cruciale per tantissimi ambiti che non hanno, il più delle volte, direttamente a che fare con la nostra vita, ma che la influenzeranno radicalmente nel futuro prossimo.

Per questo motivo abbiamo deciso di creare La Guida di Motherboard al 2018, una serie di articoli introduttivi su quelli che, per noi, saranno i temi più importanti dell'anno. Così al prossimo pranzo di famiglia non fate brutta figura, non ringraziateci.

Nel 2010 due ricercatori di origini russe, Andre Geim e Konstantin Novoselov, hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica con la ricerca più random e cheap della storia. Il loro merito è aver isolato, sei anni prima, il materiale più sottile del mondo con dei semplici oggetti da cancelleria.

Applicando del nastro adesivo su un blocco di grafite — sì, come quella delle matite da disegno — i due scienziati dell’Università di Manchester avevano isolato uno strato bidimensionale di atomi di carbonio e ne avevano dimostrato le proprietà eccezionali. Quel "materiale delle meraviglie" era il grafene, ottenuto con la casualità paradossale delle scoperte scientifiche più importanti.

STORIA DI UNA SCOPERTA

A Manchester, Geim e Novoselov avevano l’abitudine di fare degli “esperimenti del venerdì sera”, durante i quali mettevano in atto dei tentativi sperimentali random, non necessariamente legati alle ricerche di cui si occupavano tutti i giorni. Proprio in una di queste serate — mi piace pensare che fossero ubriachi — dopo aver isolato dei fiocchi di grafite con il metodo “scotch tape”, gli scienziati si erano accorti che alcuni residui risultavano più sottili degli altri. Ripetendo l’operazione più volte, erano riusciti a creare uno strato dello spessore di un atomo che avevano poi esaminato al microscopio ed elettrificato con grande meraviglia.

Anche se l’interesse nei confronti del grafene risale agli anni Quaranta, precisamente a un articolo del 1947, in letteratura scientifica la parola grafene compare per la prima volta nel 1987 in uno studio sulla grafite. Ma l’anno della svolta è stato proprio il 2004, con la pubblicazione della scoperta di Geim e Novoselov su Science. Da quel momento, è iniziata la fase di ricerca forsennata sui mille usi del grafene nella quale ci troviamo.

Ottimo conduttore di elettricità e di calore, talmente denso che nemmeno il più piccolo gas atomico, ovvero l’elio, può attraversarlo, con la durezza del diamante e la flessibilità della plastica, il grafene sembra essere il materiale perfetto su cui dirottare il nostro futuro. In un mondo in cui la trasmissione di informazioni ed energia costituisce il DNA stesso del sistema economico e culturale, e in cui la ricerca nel campo della sostenibilità sembra l’unica strada per la sopravvivenza, il grafene ha suscitato l'entusiasmo dei ricercatori e degli investitori di tutto il mondo.

Nel 2013, la Comissione Europea per le Tecnologie Future ed Emergenti (FET) ha stanziato ben un miliardo di euro per finanziare Graphene Flagship, il più grande progetto di ricerca europeo di sempre, chiamato a unire esigenze accademiche e industriali per l'impiego di questo materiale. Il progetto, coordinato dalla Chalmers University of Technology di Gothenburg, in Svezia, ha l'obiettivo di portare il grafene "dal regno dei laboratori accademici alla società europea nel giro di 10 anni, apportando crescita economica, nuove professioni e opportunità.”

Questo entusiasmo dell'Unione Europea è senz'altro uno degli indicatori delle sue potenzialità, ed è ampiamente condiviso anche dall'industria hi-tech, da una lunga lista di start up e da un numero infinito di centri di ricerca internazionali collegati alle università. Il CNR italiano, per esempio, partecipa al programma europeo con una serie di progetti, con un'attività di coordinamento delle attività sui 'nanocompositi' della Graphene Flagship, e con la sua Graphene Factory — un portale che raccoglie, promuove e supporta le ricerche sul grafene e sugli altri materiali bidimensionali di tutta la rete CNR.

UNO STRATO DI CARBONIO

Ma per capire l'importanza del grafene dobbiamo partire dalla dimensione atomica. Si tratta di un composto di carbonio, l’elemento più comune sulla Terra, alla base della chimica organica. Una delle caratteristiche principali del carbonio è la capacità di legarsi con una lunga serie di elementi: va a formare, infatti, più di 10 milioni di composti — e noi esseri umani, in quanto composti organici, siamo uno di questi. Esso si presenta in forme cristalline chiamate allotropi, versioni diverse dello stesso elemento con diverse disposizioni e tipi di legame tra gli atomi, che corrispondono a diverse strutture e proprietà. Nel diamante, per esempio, ogni atomo di carbonio è legato solidamente ad altri quattro, e questa caratteristica lo rende uno dei materiali più duri conosciuti.

La grafite, da cui deriva il grafene, è un allotropo a strati, e in ogni strato gli atomi sono ordinati su forma esagonale. I legami “orizzontali” esagonali all'interno dei vari strati sono forti, mentre ogni strato è solo debolmente attratto da quelli adiacenti. Proprio per questo motivo strutturale, essi possono scivolare l'uno sull'altro e separarsi piuttosto facilmente, anche con un pezzo di nastro adesivo, come è stato fatto dai due premi Nobel Geim e Novoselov. Il grafene è un materiale bidimensionale appunto perché è costituito da uno strato monoatomico di carbonio — il suo spessore corrisponde alla grandezza di un atomo, ovvero un milionesimo di un capello umano.

Oltre a essere estremamente sottile, il grafene è anche molto flessibile: si può piegare su se stesso come un foglio di carta, estendersi fino ad un quinto della sua lunghezza, oppure arrotolarsi fino a raggiungere diametri di qualche nanometro, formando i cosiddetti nanotubi di carbonio. Ciò è possibile perché è anche molto resistente: idealmente, è 100 volte più resistente dell’acciaio. Allo stesso tempo, è leggero, la densità stimata è di 0,77 mg/m². Grazie al suo spessore bidimensionale, poi, è quasi trasparente e assorbe solo il 2% di un ampio spettro della luce elettromagnetica, dall’ultravioletto all’infrarosso. La combinazione di tutte queste proprietà meccaniche e fisiche lo rende il materiale unico che è.

Dal Nobel in poi, nei laboratori di tutto il mondo si sono sviluppate una serie di tecniche per isolarlo, che vanno dalla "fabbricazione" atomo per atomo alla esfoliazione di grafite in soluzioni liquide tramite generatori di ultrasuoni o microcanali. Quest’ultima tecnica è alla base del lavoro condotto al Cambridge Graphene Centre, uno dei centri d'eccellenza mondiali — con a capo Andrea Ferrari, direttore scientifico anche della Graphene Flagship — dal ricercatore italiano Felice Torrisi. "Per la prima volta qui a Cambridge abbiamo dimostrato che con i microcanali è possibile creare grandi quantità di grafene e sviluppare inchiostri a base di materiali 2D," ha detto Torrisi a Motherboard via email.

"Il grafene può essere utilizzato in un’infinità di applicazioni ottiche e optoelettroniche, da elettrodo trasparente nelle celle solari, a rilevatore di luce a banda larga, fino ai sensori body scanner. Le sue straordinarie proprietà permettono di avere dispositivi elettronici pieghevoli, flessibili ed estendibili" ci ha spiegato via email. "Per esempio, la velocità raggiunta dagli elettroni nel grafene è oltre 1.000 volte superiore a quella di altri semiconduttori come il silicio. Questo ha permesso di realizzare transistor e dispositivi a radiofrequenza che operano a frequenze di Terahertz — superiori rispetto ai Gigahertz dei nostri attuali computer.”

"La ricerca che abbiamo portato avanti al Graphene Center ha dimostrato inoltre che è possibile utilizzare inchiostri al grafene per stampare elettrodi flessibili e trasparenti, da utilizzare per schermi o celle solari, antenne per dispositivi a radiofrequenza, sensori di pressione, ricetrasmettitori usa e getta e riciclabili," ha continuato Torrisi. "Nel nostro ultimo lavoro abbiamo anche sviluppato degli inchiostri composti esclusivamente da grafene, che ci hanno permesso di stampare circuiti elettronici direttamente dentro i tessuti, per gettare le basi dell'elettronica indossabile del futuro."

“Ma portare alla scala macroscopica, quindi anche industriale, le proprietà ideali del grafene è un fattore piuttosto problematico” ha aggiunto Nicola Pugno, ordinario all'Università di Trento, in una telefonata a Motherboard. Esperto di nanomateriali, Pugno si occupa di ricerca di base e ricerca applicata aiutando le industrie high-tech nei problemi di meccanica che richiedono l’impiego del grafene. Recentemente, è stato a capo di un team di ricerca a Trento per la realizzazione del materiale più tenace del mondo, l’aerografite, una delle tante meraviglie a base di grafene.

In conclusione, se non ci fosse proprio nessuna criticità nell’impiego di questo materiale non ci sarebbe bisogno di finanziare la ricerca, e probabilmente crederemmo tutti nei miracoli. Anche se c’è una piccola percentuale di possibilità che il grafene si riveli meno meraviglioso di quanto non creda la scienza, sentir parlare di batterie stampate in 3D, protesi ossee personalizzate, tessuti intelligenti, minuscoli origami che camminano e lampadine microscopiche fa comunque sperare che quel benedetto pezzo di scotch non sia stato staccato invano.