di Nicola Penna ♦ Nel gruppo guidato da Alessandro Profumo la ricerca su questo materiale procede in tutte le divisioni e in tutti i domini tecnologici in cui è possibile una sua applicazione: elettronica, sensoristica, termo-meccanica. Si guarda già al futuro, come spiegano Marco Molina – CTO LoB Spazio – e lo stesso Konstantin Novoselov, Premio Nobel per la scoperta
È il materiale più sottile che esista, super leggero, denso, trasparente, resistente allo stress (mille volte più dell’acciaio), efficiente conduttore di calore ed elettricità, resistente alla temperatura e alle variazioni del pH. E’ legato a doppio filo con le nanotecnologie poiché si tratta di un materiale costituito da uno strato monoatomico (quindi spesso un atomo, cioè tra 0,1 e 0,5 nanometri) di atomi di carbonio. Per ottenerlo si tratta la grafite (un minerale associato al carbonio) con una soluzione di acido solforico e nitrico.
Stiamo parlando del grafene. Questo materiale ha dimostrato sin dal sui albori di avere delle potenzialità talmente elevate da guadagnarsi il soprannome di “materiale delle meraviglie”. Sottile, leggero, flessibile e trasparente ma anche forte, resistente, impermeabile e dotato di un’elevata conducibilità termica ed elettrica. Oggi è considerato il punto di partenza per nuove tecnologie dirompenti in una vasta gamma di ambiti che vanno dall’elettronica ai materiali compositi e all’energia. Si stima un mercato mondiale che varrà 675 milioni di dollari nel 2020, e ambiti di applicazione tra i più disparati, dall’elettronica, all’energia, alla medicina, all’aeronautica. Isolato nel 2004 dai ricercatori Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester (entrambi Premio Nobel per la fisica nel 2010) il grafene promette di rivoluzionare le nostre vite. Ma come procede la ricerca per individuare le applicazione industriali? Come stanno lavorando le grandi aziende su questa promettente risorsa?
L’esempio di Leonardo
Nel 2013 la Commissione europea ha lanciato Graphene Flagship, uno dei più grandi programmi di ricerca in Europa. Il progetto ha lo scopo di portare il grafene, nell’arco di 10 anni, dal laboratorio alla vita quotidiana generando crescita economica, posti di lavoro e nuove opportunità. Il programma, che vale un miliardo di euro, coinvolge più di 150 partner accademici e industriali tra i quali anche Leonardo. Nel gruppo industriale il range di applicazioni praticate è già molto vasto. Nel campo delle aerostrutture, ad esempio, il grafene viene utilizzato per studiare sistemi antighiaccio per le ali dei velivoli e per rinforzare all’urto le strutture aeronautiche.
Nell’ambito dei sistemi avionici e spaziali, invece, il grafene è considerato un materiale interessante sia per il raffreddamento dell’elettronica di bordo sia per realizzare schermi tattili e flessibili. Nel futuro ci sono poi sensori sia ottici che radar migliori di quelli ora disponibili, componenti elettronici leggerissimi e a ridotto consumo e celle solari e batterie che renderanno ancora più lunga la durata del volo per nostri velivoli interamente elettrici.
Grafene per il sistema di raffreddamento dei satelliti
Per scoprire cosa rappresenta il grafene per Leonardo, approfittando di un focus realizzato dall’ azienda, riprendiamo alcune questioni cui risponde Marco Molina, CTO della LoB Spazio presso la Divisione Sistemi Avionici e Spaziali di Leonardo. Partiamo dal tipo di ricerca che fa l’azienda su questo materiale. «La ricerca sul grafene in Leonardo – dice Marco Molina – è un esempio concreto di “open innovation” in cui, grazie ad una rete di collaborazioni e accordi, possiamo avere accesso ai laboratori più avanzati d’Italia e di Europa e in questo modo alle scoperte più innovative. Grazie alla stretta sinergia tra i nostri colleghi tecnici, ingegneri, chimici e fisici che collaborano direttamente con i laboratori in cui avviene la sintesi chimica del grafene (in Italia, per esempio il CNR e l’Istituto Italiano di Tecnologia) mettiamo a punto i prototipi con cui dimostrare il vantaggio di usare il grafene.»
«Alcuni di questi progetti rientrano nella Graphene Flagship, il più grande programma di ricerca finanziato dalla Commissione europea di cui siamo orgogliosamente partner. Grazie a questa partecipazione, nel 2017 abbiamo sperimentato, per la prima volta al mondo, il grafene in microgravità insieme al CNR, l ’Universitè Libre de Bruxelles e il Graphene Center dell’Università di Cambridge. Stiamo sviluppando un sistema di raffreddamento per satelliti, basato su grafene e chiamato ‘loop heat pipe’ che presto volerà nello spazio: il sogno è di avere sistemi di raffreddamento completamente autonomi per la futura esplorazione e colonizzazione dello spazio. »
I vantaggi delle applicazioni
Si è accennato ai promettenti sviluppi del mercato per questo materiale, legato ai diversi utilizzi che se ne possono fare nell’ ambito manifatturiero. Ecco i vantaggi che Leonardo si aspetta dalle future applicazioni del grafene: «Nella comunità dei CTO e dell’Ingegneria – risponde Molina – ci aspettiamo grandi benefici: i nostri prodotti e saranno più leggeri, più compatti e capaci di consumare meno energia. Un primo filone di innovazione sarà di tipo incrementale: il grafene aggiunto in piccolissime quantità alle nostre strutture aerospaziali le renderà più resistenti agli impatti, permetterà di raffreddare meglio i nostri apparati avionici, darà maggior nitidezza alle immagini che riprendiamo dallo spazio. Avremo quindi prodotti più prestanti a pari peso, oppure più leggeri a pari prestazioni e sappiamo bene il valore di ogni grammo risparmiato a bordo di un aereo, elicottero o satellite. »
«Il secondo filone di innovazione è invece più rivoluzionario ed è legato al concetto di multifunzionalità: un circuito elettronico può essere stampato con inchiostro al grafene su una struttura rigida o anche flessibile, addirittura un foglio di carta o un tessuto, che così diventerebbero da un lato un sensore e dall’altro uno schermo tattile che visualizza l’immagine riconosciuta dal sensore. Anche le strutture aerospaziali possono diventare intelligenti, capaci di conoscere la propria temperatura e lo stato di sollecitazione meccanica e addirittura di usura, con un chiaro vantaggio competitivo nella manutenzione preventiva. »
Dallo spazio allo sport
Come nel caso della fibra di carbonio, anche il grafene ha visto le sue prime applicazioni in ambito sportivo. Oggi il materiale composito (fibra di carbonio) contribuisce significativamente alla qualità e al valore dei prodotti di Leonardo. Viene da chiedersi se possiamo immaginare un’evoluzione simile anche per il grafene. «Ottenere le certificazioni per uso in ambito aerospaziale è un processo lungo, che spiega come mai le strutture composite si sono affermate nell’industria aerospaziale, e quindi anche in Leonardo, dopo la loro adozione in ambito sportivo – spiega Molina – . Il materiale composito è stato un elemento di competitività in Leonardo per costruire dalle ali alle fusoliere, dagli strumenti per satelliti alle trivelle per scavare su altri pianeti. In modo analogo stiamo osservando l’emergere del grafene in uno dei settori chiave per Leonardo, quello aerospaziale: stiamo lavorando con i centri di ricerca affinché le proprietà di questo materiale (trasparenza, resistenza meccanica, conducibilità elettrica e termica, flessibilità), possano essere trasferite ai nostri prodotti. »
Gli esperimenti sul grafene: la parola al Premio Nobel
Gli studi sul grafene risalgono al 1859 ma è solo a partire dal 2004 che si è verificata un’accelerazione nella ricerca su questo materiale. Quell’anno i ricercatori Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester isolarono, per la prima volta, un singolo strato di grafene dalla grafite, una delle più comuni forme di carbonio. Il grafene ha lo spessore di un atomo di carbonio e presenta straordinarie proprietà legate alla fisica quantistica. I due ricercatori, Premio Nobel per la fisica nel 2010 per i loro esperimenti innovativi sul grafene, hanno ottenuto questo materiale da un pezzo di grafite separando i suoi strati mediante materiali adesivi simili al comune scotch.
Il Premio Nobel Konstantin Novoselov è stato recentemente ospite d’onore dell’evento “Graphene: Revolution is coming to Earth… and Space”, organizzato a Milano (Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia Leonardo da Vinci) da Graphene Flagship e Leonardo dove ha spiegato anche la genesi della scoperta. « È successo grazie al metodo di lavoro, introdotto nel nostro laboratorio da Andre Geim, chiamato “gli esperimenti del venerdì sera” – spiega Novoselov -. Venivamo incoraggiati a dedicare del tempo a esplorare progetti rischiosi e quello dedicato al grafene era uno di questi. Non avremmo mai creduto di poter ottenere il grafene, il nostro obiettivo era quello di ricavare pellicole di grafite sufficientemente sottili per realizzare un transistor. Siamo rimasti molto sorpresi quando siamo scesi fino al singolo strato. Ci sono voluti poi molti anni per scoprire tutte le straordinarie proprietà di questo materiale.» A proposito dell’utilizzo futuro l’auspicio del premio Nobel è che vengano inventate applicazioni «che prima del grafene non erano affatto possibili, ovvero applicazioni in cui verrà utilizzato l’intero complesso delle singolari proprietà di questo materiale.”
