Come il Grafene cambierà le nostre Vite

23 Febbraio 2018, Raffaele De Luca

Il Grafene è un materiale che può essere utilizzato in numerose discipline tra cui, a titolo esemplificativo: bioingegneria, materiali compositi, tecnologia energetica e nanotecnologia.

Il Grafene, l’allotropo di carbonio bidimensionale, è un materiale versatile come qualsiasi altro scoperto sulla Terra. Le sue straordinarie proprietà come materiale leggero e resistente, rispetto alla sua capacità di condurre calore ed elettricità meglio di ogni altra cosa, significano che può essere integrato in un numero enorme di applicazioni. Inizialmente ciò significherà che il grafene viene utilizzato per migliorare le prestazioni e l’efficienza degli attuali materiali e sostanze, ma in futuro sarà anche sviluppato in combinazione con altri cristalli bidimensionali (2D) per creare alcuni composti ancora più sorprendenti per adattarsi una gamma ancora più ampia di applicazioni. Per comprendere le potenziali applicazioni del grafene, è necessario innanzitutto acquisire una comprensione delle proprietà di base del materiale.

Ingegneria biologica

La bioingegneria sarà certamente un campo in cui il grafene diventerà una parte vitale del futuro; anche se alcuni ostacoli devono essere superati prima di poter essere utilizzati. Stime attuali suggeriscono che non accadrà fino al 2030 quando inizieremo a vedere il grafene ampiamente utilizzato nelle applicazioni biologiche, poiché dobbiamo ancora comprenderne la biocompatibilità (e deve essere sottoposto a numerosi studi clinici, clinici e di sicurezza che, in poche parole, prenderanno un molto tempo). Tuttavia, le proprietà visualizzate indicano che potrebbe rivoluzionare questa area in vari modi. Con grafene che offre un’ampia superficie, alta conduttività elettrica, magrezza e forza, sarebbe un buon candidato per lo sviluppo di dispositivi bioelettrici sensoriali veloci ed efficienti, con la capacità di monitorare cose quali i livelli di glucosio, i livelli di emoglobina, il colesterolo e persino Sequenziamento del DNA. Alla fine potremmo persino vedere un grafene ‘tossico’ ingegnerizzato che può essere usato come trattamento antibiotico o persino antitumorale. Inoltre, grazie alla sua composizione molecolare e alla potenziale biocompatibilità, potrebbe essere utilizzato nel processo di rigenerazione dei tessuti.

Elettronica Ottica

Un’area particolare in cui inizieremo presto a vedere il grafene utilizzato su scala commerciale è quella in optoelettronica; in particolare touchscreen, display a cristalli liquidi (LCD) e diodi organici emettitori di luce (OLED). Affinché un materiale possa essere utilizzato in applicazioni optoelettroniche, deve essere in grado di trasmettere oltre il 90% di luce e offrire anche proprietà conduttive elettriche superiori a 1 x 106 Ω1m1 e quindi a bassa resistenza elettrica. Il grafene è un materiale quasi completamente trasparente ed è in grado di trasmettere otticamente fino al 97,7% di luce. È anche altamente conduttivo, come abbiamo detto in precedenza e quindi funzionerebbe molto bene nelle applicazioni optoelettroniche come i touchscreen LCD per smartphone, tablet e computer desktop e televisori.

In termini di potenziali applicazioni elettroniche del mondo reale, possiamo aspettarci di vedere dispositivi come l’e-paper (Giornale elettronico) basato su grafene con la capacità di visualizzare informazioni interattive e aggiornabili e dispositivi elettronici flessibili, compresi computer portatili e televisori.

Celle fotovoltaiche

Offrendo livelli molto bassi di assorbimento della luce (attorno al 2,7% della luce bianca) offrendo anche un’elevata mobilità elettronica significa che il grafene può essere utilizzato come alternativa al silicio o all’ITO nella produzione di celle fotovoltaiche. Il silicio è attualmente ampiamente utilizzato nella produzione di celle fotovoltaiche, ma mentre le celle di silicio sono molto costose da produrre, le celle a base di grafene sono potenzialmente molto meno. Quando materiali come il silicio trasformano la luce in elettricità producono un fotone per ogni elettrone prodotto, il che significa che molta energia potenziale viene persa sotto forma di calore. Ricerche recentemente pubblicate hanno dimostrato che quando il grafene assorbe un fotone, in realtà genera più elettroni. Inoltre, mentre il silicio è in grado di generare elettricità da determinate bande di luce a lunghezza d’onda, il grafene è in grado di funzionare su tutte le lunghezze d’onda, il che significa che il grafene ha il potenziale per essere efficiente quanto, se non più efficiente del silicio, ITO o (anche ampiamente usato ) arseniuro di gallio. Essere flessibili e sottili significa che le celle fotovoltaiche a base di grafene potrebbero essere utilizzate nell’abbigliamento; per ricaricare il tuo telefono cellulare, o anche come schermi o tende per finestre fotovoltaiche retro-adattati per alimentare la tua casa.

Stoccaggio di energia

Un’area di ricerca altamente studiata è l’accumulo di energia. Mentre tutte le aree dell’elettronica sono progredite molto velocemente negli ultimi decenni (in riferimento alla legge di Moore che afferma che il numero di transistor utilizzati nei circuiti elettronici raddoppierà ogni 2 anni), il problema è sempre stato quello di immagazzinare l’energia in batterie e condensatori quando non viene utilizzato. Queste soluzioni di accumulo di energia si sono sviluppate a un ritmo molto più lento. Il problema è questo: una batteria può potenzialmente contenere molta energia, ma può richiedere molto tempo per caricarsi, un condensatore, d’altra parte, può essere caricato molto velocemente, ma non può trattenere molta energia (comparativamente parlando ). La soluzione è sviluppare componenti di accumulo di energia come un supercondensatore o una batteria in grado di fornire entrambe queste caratteristiche positive senza compromessi.

Attualmente, gli scienziati stanno lavorando per migliorare le capacità delle batterie agli ioni di litio (incorporando il grafene come anodo) per offrire capacità di archiviazione molto più elevate con una longevità e una velocità di carica molto migliori. Inoltre, il grafene viene studiato e sviluppato per essere utilizzato nella fabbricazione di supercondensatori che possono essere caricati molto rapidamente, ma anche in grado di immagazzinare una grande quantità di elettricità. I micro-supercondensatori a base di grafene saranno probabilmente sviluppati per l’uso in applicazioni a bassa energia come smartphone e dispositivi portatili e potrebbero potenzialmente essere commercialmente disponibili entro i prossimi 5-10 anni. Le batterie agli ioni di litio potenziate con grafene potrebbero essere utilizzate in applicazioni di utilizzo dell’energia molto più elevate, ad esempio veicoli elettrici, oppure possono essere utilizzate come batterie agli ioni di litio, in smartphone, laptop e tablet PC, ma con livelli e dimensioni significativamente inferiori.

Ultrafiltrazione

Un’altra proprietà straordinaria del grafene è che mentre permette all’acqua di attraversarlo, è quasi completamente impermeabile ai liquidi e ai gas (anche le molecole di elio relativamente piccole). Ciò significa che il grafene potrebbe essere utilizzato come mezzo di ultrafiltrazione per fungere da barriera tra due sostanze. Il vantaggio dell’uso del grafene è che ha uno spessore di 1 atomo singolo e può anche essere sviluppato come barriera che misura elettronicamente sollecitazioni e pressioni tra le 2 sostanze (tra molte altre variabili). Un team di ricercatori della Columbia University è riuscito a creare filtri monostrato di grafene con dimensioni dei pori di soli 5 nm (attualmente, le membrane nanoporose avanzate hanno dimensioni dei pori di 30-40 nm). Mentre queste dimensioni dei pori sono estremamente piccole, poiché il grafene è così sottile, la pressione durante l’ultrafiltrazione viene ridotta. Co-attualmente, il grafene è molto più forte e meno fragile dell’ossido di alluminio (attualmente utilizzato nelle applicazioni di filtrazione sub-100nm). Cosa significa questo? Beh, potrebbe significare che il grafene è stato sviluppato per essere utilizzato nei sistemi di filtrazione dell’acqua, nei sistemi di desalinizzazione e nella creazione di biocarburanti efficiente ed economicamente più redditizia.

Materiali compositi

Il grafene è forte, rigido e molto leggero. Attualmente, gli ingegneri aerospaziali stanno incorporando la fibra di carbonio nella produzione di velivoli in quanto è anche molto forte e leggera. Tuttavia, il grafene è molto più forte pur essendo anche molto più leggero. In definitiva si prevede che il grafene venga utilizzato (probabilmente integrato in materie plastiche come la resina epossidica) per creare un materiale che possa sostituire l’acciaio nella struttura degli aerei, migliorando l’efficienza del carburante, la portata e la riduzione del peso. Grazie alla sua conduttività elettrica, potrebbe persino essere utilizzato per rivestire il materiale della superficie dell’aeromobile per prevenire danni elettrici derivanti da fulmini. In questo esempio, lo stesso rivestimento di grafene potrebbe essere utilizzato anche per misurare la velocità di deformazione, notificando al pilota eventuali cambiamenti nei livelli di sollecitazione sotto le ali dell’aeromobile. Queste caratteristiche possono anche aiutare nello sviluppo di applicazioni di requisiti ad alta resistenza come armature per personale militare e veicoli.

Un futuro 100% Rinnovabile è possibile!

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