Grafene: il materiale “casuale” come futuro nelle costruzioni

Esistono anni che, nella storia umana più o meno recente, resteranno indelebilmente impressi per qualche scoperta o invenzione rivoluzionaria. Pensiamo ad esempio al 1453, anno in cui Gutenberg inventò la stampa a caratteri mobili, che ha rivoluzionato il modo di diffusione del sapere scritto. Oppure si pensi al 1769, anno dell’invenzione del motore a vapore di Watt.

Potremmo stare qui delle ore ad elencare le principali scoperte ed invenzioni umane, ma ci limiteremo a citarne solamente un altro paio.

Se l’uomo è riuscito a sconfiggere alcune pandemie molto pericolose (come quella del vaiolo, della peste o del recente Covid-19) lo si deve all’introduzione dei vaccini nel 1796 grazie a Jenner.

E ancora, l’invenzione (alquanto tribolata) della lampadina attribuita ad Edison nel 1879 ha consentito all’uomo di dare nuova luce al proprio futuro. Con tutta la tecnologia che ne consegue (come i generatori elettrici portatili).

A questa lista potrebbe aggiungersi, alla luce dei nuovi sviluppi, anche il 2004. È proprio in quest’anno che, infatti, viene quasi accidentalmente scoperto il grafene, il materiale considerato rivoluzionario per svariati ambiti delle attività umane.

Cerchiamo, dunque, di scoprirne principali caratteristiche e possibili usi.

Una scoperta di fatto casuale

Torniamo indietro, dunque, fino al 2004. Ci troviamo nel Regno Unito, più precisamente all’università di Manchester. Due scienziati, i sovietici Andrej Gejm (professore) e Konstantin Novosëlov (dottorando), stanno conducendo un peculiare esperimento su un pezzo di grafite. Si tratta, più comunemente, del materiale che costituisce le mine delle matite, e rappresenta la più comune forma di aggregazione degli atomi di carbonio riscontrabile sulla Terra.

Lo scopo originario dell’esperimento è di ottenere, dal blocco di grafite, una sottile lamina costituita da poche centinaia di strati di carbonio, in modo da studiarne le proprietà. A partire da un flocculo spesso circa 1000 strati di carbonio, grazie all’impiego di comune nastro adesivo il professore ed il suo dottorando asportano progressivamente strati di carbonio. In questo modo arrivano incredibilmente a spessori di soli 10 strati di carbonio, decidendo a questo punto di spingersi quanto più in là possibile. 

Riescono in qualcosa di incredibile (ed impossibile da pensare fino a qualche tempo prima), ossia ottengono un singolo strato di atomi di carbonio. Il grafene, appunto, un materiale derivato dalla grafite (che presenta un legame alquanto disordinato fra gli atomi di carbonio) ma ordinato come il diamante, altra forma di aggregazione di atomi di carbonio, ben più ordinata nonché rara e preziosa. Il materiale è l’unico al mondo finora scoperto ad essere bidimensionale, costituito appunto da singoli strati di atomi di carbonio disposti a formare celle esagonali. La scoperta del grafene è talmente importante che porterà Gejm e Novosëlov a vincere il Premio Nobel nel 2010.

Alcune curiosità sul grafene

Prima di addentrarci negli innumerevoli risvolti pratici derivanti da questa scoperta, una piccola curiosità. La particolare struttura atomica del grafene riesce a spiegare perfettamente le particolari caratteristiche della grafite, prima fra tutte la forma allotropica (ossia disordinata) che questa presenta se osservata attentamente ad occhio nudo o al microscopio. Inoltre, quante volte maneggiando la mina di una matita ci ritroviamo con le dita grigie e patinate? La grafite è facilmente sfaldabile e molto fragile, se spezzata si rompe infatti formando facce lucide e piuttosto regolari. A posteriori è facile dirlo: semplificando al massimo, la grafite altro non è che un insieme disordinato di piani di grafene fra di loro sovrapposti. L’abbiamo avuta sempre sotto gli occhi senza saperlo…

Il fatto che la grafite risulti costituita da vari piani di grafene impilati gli uni sugli altri spiega anche le altre proprietà del materiale costituente le mine delle matite. In primis, la scoperta che il legame chimico interno fra gli atomi di carbonio dei singoli strati grafite sia significativamente superiore a quello degli stessi atomi della struttura del diamante! Ancora, la grafite possiede:

• buona conducibilità elettrica;
• ottima conducibilità termica;
• rigidezza fra le più alte in natura;
• elevatissima resistenza meccanica;
• ottima resistenza al fuoco (resiste meccanicamente a temparature che superano i 3600° C);
• incredibile stabilità meccanica (resiste molte bene alle reazioni chimiche);
• interessanti proprietà autolubrificanti.

Gli utilizzi del di questo materiale? Innumerevoli!

L’interesse mostrato nei confronti di questo nuovo materiale è sin da subito enorme. Tanto che l’UE fonda nel 2013 il Graphene Flagship, progetto di durata decennale avente lo scopo di scoprire quanto più possibile su proprietà ed impieghi possibili del materiale. L’aspettativa e l’ottimismo sono tanti, e ciò si capisce dall’entità del finanziamento messo in campo dall’UE per questo: ben un miliardo di euro!

Data la sua peculiare struttura, il grafene ha una serie di caratteristiche fisiche e meccaniche estremamente interessanti che lo caratterizzano. Essendo molto stabile meccanicamente ma allo stesso tempo sottilissimo, può essere facilmente deformabile (al pari delle plastiche) presentando però la resistenza teorica del diamante. Di base si presenta trasparente, permettendo alla luce di oltrepassarlo, ma essendo chimicamente compatto è anche impermeabile a liquidi e gas.

È inoltre un ottimo conduttore di calore ed un eccezionale conduttore di corrente, permettendo in quest’ultimo caso di poter addirittura osservare fenomeni quantistici in condizioni standard.

“Studiare l’elettrodinamica quantistica in laboratorio e a temperatura ambiente è come avere il Cern sulla scrivania” (A. Gejm)

Questo, ovviamente, si ripercuote sulle più svariate implicazioni teoriche del materiale. In ambito aeronautico ad esempio se ne prevede l’utilizzo come antigelo per le ali degli aerei o per il raffreddamento degli impianti elettronici di bordo. Altre applicazioni ne prevedono impieghi, per esempio, come filtri per l’acqua per potabilizzare quella marina. A livello elettronico, poi, il grafene la fa da padrone incontrastato. Si va da schermi e batterie sottilissimi e flessibili (con cui poter realizzare devices arrotolabili e pieghevoli) ai sensori di precisione che hanno la peculiarità di poter essere estesi ad ampie superfici. Passando per accumulatori (batterie) pressoché “eterni” e dalla ricarica quasi istantanea e per microchip e processori più piccoli e performanti ma che si surriscaldano (e si rompono) meno.

Il grafene e gli impieghi nel settore delle costruzioni

Un altro dei settori dove il grafene sta iniziando a dire la sua è quello relativo alle costruzioni. Anche questo settore infatti, com’era prevedibile, ha risentito positivamente di questa scoperta. Un primo impiego di questo materiale è come additivo nel cosiddetto smart concrete, ossia nel calcestruzzo di nuova generazione. Possedendo le caratteristiche meccaniche del grafene descritte in precedenza, è possibile ottenere un materiale molto più resistente del classico calcestruzzo, con notevoli vantaggi. L’esempio concreto si è avuto circa un anno e mezzo fa, in Inghilterra, col getto della prima lastra al mondo in calcestruzzo additivato con grafene. Il calcestruzzo di quest’elemento strutturale, additivato in piccolissime percentuali con grafene, presenta un incremento di resistenza del 30% rispetto ad un analogo cls standard.  Da allora, gli studi e le ricerche sono proseguiti per cercare di immettere sul mercato quanto prima un materiale “intelligente” e che, oltretutto, consentirebbe una riduzione consistente di CO₂ nell’atmosfera.

Attualmente gli sforzi maggiori sono volti a sfruttare la conducibilità elettrica del grafene per creare elementi in  calcestruzzo che possano essere impiegati per sistemi riscaldanti a pavimento o a parete con spessori estremamente ridotti. Ma non è finita qui, perché anche nel campo della diagnostica e della sensoristica questa proprietà potrebbe essere impiegata per ottenere opere che possano “autodiagnosticarsi” a livello di stati tenso/deformativi e quadri fessurativi. Un’autentica rivoluzione!

Altro campo delle costruzioni dove il grafene sembra aver fortuna è quello stradale. Se impiegato come additivo supermodificante, infatti, migliora notevolmente le prestazioni fisico – meccaniche e la vita utile delle pavimentazioni. In particolare, la sua presenza aumenta la resistenza delle strade al passaggio delle auto, riduce l’usura per passaggio degli pneumatici ed aumenta la vita utile dell’asfalto fino al 250% rispetto all’impiego di prodotti standard.

Insomma, nei prossimi anni ne vedremo delle belle…!