Grafene: un materiale che potrebbe cambiare il mondo

Gli scienziati di tutto il mondo stanno facendo a gara per produrre ed impiegare un nuovo materiale flessibile, elastico e centinaia di volte più resistente dell'acciaio, dello spessore di un solo atomo. Se ci riusciranno, il grafene cambierà radicalmente il nostro mondo, con trasformazioni analoghe a quelle avvenute in seguito all'introduzione della plastica, o perfino del ferro.

Grafene: una parola da tenere a mente

Questo nuovo materiale, scoperto meno di dieci anni fa, potrebbe avere le stesse potenzialità della plastica o rendere possibili trasformazioni come quelle determinate dal ferro, che sostituì il bronzo contribuendo alla nascita di nuove civiltà.

Il grafene è stato scoperto solo nel 2004 e gli scienziati che lo hanno isolato hanno ricevuto il Nobel per la fisica nel 2010. Questo nanomateriale, con le sue caratteristiche straordinarie, è diventato una vera ossessione per scienziati, imprenditori e società high-tech di tutto il mondo.

Ma cos'è il grafene?

Sostanzialmente si tratta di uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Si calcola che una pila di 3 milioni di fogli di grafene avrebbe uno spessore di 1 mm. È un materiale elastico e flessibile, ma estremamente robusto, centinaia di volte più resistente dell'acciaio. È un ottimo conduttore di elettricità ed ha un punto di fusione superiore ai 3000 °C.

Le industrie manifatturiere attualmente lavorano materiali molto sofisticati come le leghe di titanio, i materiali monocristallini e le fibre di carbonio, che continuano ad essere studiati per ottenere maggiore resistenza, flessibilità ed altre caratteristiche. Se si riusciranno a sfruttare le potenzialità individuate all'inizio, il grafene renderebbe possibili grandi progressi nel conseguimento di queste proprietà. Questo materiale infatti, potrebbe permettere la realizzazione di prodotti molto più leggeri, sottili e robusti, e potenzialmente, potrebbe essere utilizzato per qualsiasi applicazione, dalla realizzazione di aerei superleggeri, alla costruzione di impianti di desalinizzazione e computer superveloci.

Il grafene nel mercato

Finora, produrre il grafene in quantità diverse da quelle normalmente utilizzate per la ricerca è ancora estremamente costoso e non sono ancora stati realizzati prodotti commerciali da immettere nel mercato. Tuttavia, le aziende ed i governi di tutto il mondo stanno investendo centinaia di milioni di dollari nella ricerca. La Commissione Europea ha avviato un progetto speciale dedicato al grafene, stanziando oltre un miliardo di dollari USA, che serviranno a finanziare per oltre un decennio le attività di ricerca e sviluppo di istituti di ricerca e grandi aziende di primaria importanza in 17 paesi europei (http://www.graphene-flagship.eu).

Un processo che richiede tempo

L'applicazione di nuovi materiali per la produzione in serie può richiedere decine di anni. L'invenzione della fibra di carbonio, ad esempio, risale a più di cinquant'anni fa. Rolls-Royce aveva iniziato ad utilizzarla per le pale dei compressori dei motori degli aerei già negli anni '60, ma poi scoprì che le pale si danneggiavano facilmente in caso di impatto con gli uccelli, per cui i piani dell'azienda subirono una battuta d'arresto.

Secondo le previsioni, i primi prodotti a base di grafene che consentano una produzione sostenibile dal punto di vista commerciale dovrebbero affacciarsi sul mercato nel 2015. Probabilmente saranno dispositivi elettronici prodotti da IBM, Nokia o Samsung, che sono tra le aziende che si stanno impegnando maggiormente per conquistare per prime il mercato. Se riusciranno nel loro intento, avremo un esempio di passaggio estremamente rapido da una scoperta rivoluzionaria alla commercializzazione.

Materiali difficili

Le leghe di titanio sono ottenute dalla combinazione del titanio con altri elementi chimici. Sono robuste, leggere e resistenti alla corrosione ed alle alte temperature. La produzione è costosa, pertanto il loro utilizzo è limitato. Ad esempio sono impiegate per la realizzazione di dispositivi per aerei, vetture sportive ed altre applicazioni in campo militare, nonché per impianti dentali e protesi ortopediche.

I monocristalli sono materiali caratterizzati da un reticolo cristallino continuo ed ininterrotto, senza bordi di grano. L'assenza di difetti conferisce loro proprietà uniche. Questi materiali sono impiegati per la produzione di semiconduttori e mirini laser o prodotti ad alta resistenza con basso scorrimento a caldo, come le pale delle turbine.

Le superleghe resistenti al calore, o HRSA, sono leghe generalmente a base di nichel, cobalto o nichel-ferro. Si tratta di materiali robusti e resistenti alla fratturazione, con una buona stabilità superficiale, resistenti alla corrosione ed all'ossidazione. Si tratta di materiali molto difficili da lavorare, utilizzati per realizzare molti componenti dei motori degli aerei, come compressori, sistemi di combustione e turbine.

Il grafene è il materiale più sottile, robusto e resistente al calore tra tutti quelli elencati qui, ma è ancora in fase di studio. Si presenta sotto forma di fogli a base di carbonio dello spessore di un atomo. Gli atomi formano un reticolo a nido d'ape. Le industrie di ogni genere sperano che questo materiale contribuirà a migliorare radicalmente le prestazioni dei prodotti.