Un nuovo rivoluzionario materiale del futuro alternativo al silicio che parla italiano: il grafene

grafene-300x252Quando si parla del nostro paese e di ricerca ed innovazione, spesso assistiamo a idee straordinarie nate in Italia e poi sviluppate completamente all’estero. Continuando il viaggio nelle eccellenza di ricerca e sviluppo nazionali, c’è un caso, emblematico, nel quale questo flusso si è rovesciato, ed è riferito, ancora una volta, al settore delle nanotecnologie di cui avevo parlato proprio alcuni giorni fa (post precedente), basato su uno dei materiali più promettenti del futuro che è il grafene. Si tratta di un materiale, conosciuto sino a qualche anno fa solo negli ambiti della fisica e dei laboratori di ricerca, e destinato davvero a rivoluzionare la nostra vita quotidiana. In questo caso, infatti, una avanzatissima tecnologia nata negli Stati Uniti, da parte di Robert Angelo Mercuri (scienziato italo-americano), Fondatore e Inventore di Directa Plus (link) che vantava già numerosi brevetti per la produzione di nanoparticelle di carbonio e grafene, ha visto il perfezionamento e la industrializzazione in Italia, potendo contare, nel nostro paese su di un valido team di ricerca, capace di vincere sfide di mercato impensabili fino ad oggi. Il team è uno start-up tecnologico inserito nel Parco Scientifico Tecnologico “ComoNExt” di Lomazzo, in provincia di Como, dove è operativo da oltre un anno il primo impianto industriale in Italia per la produzione industriale di grafene, il materiale del futuro, che potrebbe sostituire il silicio in molteplici campi di applicazione.

Si tratta di un materiale robusto, dalle mille virtù che aprono sterminati ambiti applicativi essendo:

  • leggero;
  • ottimo conduttore di elettricità;
  • ottimo conduttore di calore;
  • la sua deposizione sulle superfici, determina la impermeabilizzazione delle stesse;
  • quasi trasparente;
  • altamente denso, a tal punto che nemmeno l’elio, il più piccolo gas atomico, è in grado di attraversarlo;
  • altamente resistente, superiore di ben 50 volte all’acciaio;
  • con un elevato coefficiente elastico.

Rende bene l’idea delle caratteristiche del materiale il paragone che viene proposto, se si facesse un’amaca di un metro quadrato, sarebbe spessa quanto un atomo ma potrebbe reggere un gatto. Il grandissimo interesse per il materiale, avvalorato dal lunghissimo elenco delle principali proprietà, fu confermato nel 2010, dal conferimento del Premio Nobel per la Fisica proprio agli scopritori di questo straordinario materiale , avvenuta quasi per gioco alcuni anni prima, da parte di due ricercatori russi, Kostya Novoselov (il più giovane ricercatore insignito dell’alta onoreficienza a 37 anni) e Andre Geim che ha definito il grafene “materiale dei miracoli” . Gli scopritori, oggi docenti presso l’Università di Manchester, usando un normale nastro adesivo e un blocco di comune grafite, la stessa usata nelle mine e nelle matite, cioègrafene_struttura carbonio puro, sono riusciti ad isolare il foglio più sottile al mondo dello spessore di un solo atomo di carbonio, naturalmente), così impalpabile ed essenziale che viene considerato un materiale bidimensionale, (avevo scomodato recentemente Francesco d’Assisi col concetto di “Infinitamente piccolo”in un recente post linkato sopra). Sulla base delle incredibili proprietà del materiale, nella struttura lombarda è nato un nuovo impianto per la produzione industriale di nanografite e giulio_cesareografene, di cui parla con orgoglio l’ingegner Giulio Cesareo (foto a sinistra), Presidente ed Amministratore Delegato che proprio nell’anno dell’assegnazione del premio Nobel ai due ricercatori russi, ha ottenuto l’approvazione di due dei brevetti alla base di tecnologie per la produzione di carbonio de di grafene. Ricordando quel momento l’Ingegner Cesareo dice che è stata “una concomitanza fortunata, certo, che però ha premiato la nostra intuizione: cercare di mettere a punto un processo di produzione semplice e a basso costo, che consentisse di arrivare al mercato in tempi rapidi, di trasformare cioè una grande scoperta scientifica in un prodotto”. Fu nel 2004 che l’ingegnere, con esperienza in grandi multinazionali operanti nel settore della grafite, si mise in proprio insieme a tre soci statunitensi tra cui il detentore di ben 350 brevetti di settore, Robert Angelo Mercuri. Cesareo rileva come “spesso l’innovazione è affascinante, ma stenta a trasformarsi in qualcosa di concreto. Perché il grafene potesse entrare nella vita di tutti i giorni, era necessario mettere a punto un processo industriale affidabile, continuo, economico e sostenibile. Bisognava uscire dai laboratori ed entrare nelle aziende. Questa è stata la nostra filosofia”. Una storia industriale iniziata nel 2006 tra i laboratori di ricerca americani di Cleveland in Ohio prima e il ZSW (Zentrum fur Sonnenenrgie und Wasserstoff-Forschung), per la realizzazione di un centro di produzione pilota inaugurato a ULM in Germania, nel 2008. Nel 2009 la società si consolida ulteriormente con l’ingresso nel pacchetto azionario del fondo TTV promosso da Cariplo per una quota del 25%. Ma la svolta che porta l’azienda in Italia è legata all’incontro di Cesareo con Roman Sordan, Capo del Nanoscale Device Group del Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon del Politecnico di Milano, un gruppo di ricercatori di grandissima esperienza e competenza con esperienza pluriennale nel settore, che avevano già realizzato un chip di grafene, con un laboratorio a Como. In questo modo Cesareo trova tutti i presupposti per insediare a Lomazzo il primo stabilimento di produzione di grafene, operativo dal 1 agosto 2011. Sulle linee guida fondanti Directa Plus, mette a punto il “processoG+”, che coniuga sostenibilità ed economicità della produzione del nuovo materiale. Si tratta di un processo produttivo che impiega la grafite, materia prima abbondante e quindi altamente sostenibile e distribuita abbastanza uniformemente sul pianeta oltre che di uso comune, per ottenere a basso costo e con macchinari semplici, nano particelle di carbonio delle dimensioni desiderate, in funzione dei diversi, sconfinati ed anche molto diversi, ambiti applicativi, presentando nel contempo, un basso impatto ambientale, in tutte le fasi del ciclo di vita, di produzione, utilizzo e smaltimento del prodotto stesso. Un ulteriore aspetto importante è che la materia prima, la grafite, è presente in grandi quantità in molte zone del mondo, garantendo così, come già accennato  la piena sostenibilità nel tempo della tecnologia. Secondo uno degli scopritori del materiale Andre Geim, «Siamo all’inizio di un nuovo paradigma, è difficile capire cosa potremo fare con questo materiale. Immaginatevi 100 anni fa quando trovarono le fantastiche proprietà dei polimeri: nessuno sapeva cosa farci. Vent’anni anni dopo iniziò a diffondersi la plastica. Penso che il grafene ci potrebbe cambiare la nostra vita come fece la plastica».

Infatti, tali particelle, prodotte in vari formati, aprono davvero il futuro, costituendo un autentico viatico a supporto di molti capitoli da affrontare nel difficile percorso verso la sostenibilità, dal momento che sono impiegabili per:

  • batterie agli ioni di litio per il settore auto motive e non solo;
  • pneumatici;
  • micro elettronica come miglioramento efficienza illuminazione LED, o costruzione di chip e transistor ultraveloci che probabilmente potrebbero raggiungere i teraherz»,  velocizzando e con minore consumo di elettricità i nuovi computer;
  • pannelli fotovoltaici e schermi tattili, grazie alla alta trasparenza coniugata alle ottime attitudini di conduzione elettrica;
  • inserito nella plastica impiegata nella componentistica di auto, aerei, treni, satelliti, conferendo alla stessa maggiore resistenza agli urti e alle alte temperature;
  • trattamento (depurazione) delle acque;
  • tessuti tecnici;
  • vernici;
  • composti polimerici, etc.

Significative collaborazioni sono già avviate da parte di Directa Plus, come quella con aziende leader nel settore pneumatici, dove il grafene, impiegato nelle mescole, in sostituzione del “carbon black”, permette di conferire ai pneumatici migliore resistenza al rotolamento e maggiore impermeabilità. Questa nuova possibilità ha indotto per esempio, una azienda leader nel settore pneumatici da biciclette, la Vittoria SPA, ad aprire un nuovo grande stabilimento produttivo che adotta il processo G+ a Bangkok, in Thailandia. Altra importante linea di sviluppo è quella scaturita dall’accordo con il Gruppo Reda, azienda leader nell’ambito della produzione di gomma naturale e sintetica, ad utilizzare il nuovo materiale per la sua grande conducibilità elettrica capace di migliorare la dissipazione di calore nei sistemi di illuminazione LED, uno degli aspetti critici di utilizzazione di questa nuova tecnologia. Ma non finisce qui, se si pensa a quello che la società comasca si accinge a fare, in altre tre grandi nuove aree di sviluppo applicativo. Nell’ambito tessile il grafene, sarà impiegato per la produzione di tessuti antifiamma, dove, se alle fibre utilizzate, si aggiungono nano particelle G+, le stesse conferiscono al tessuto repellenza all’acqua ed alle fiamme, evitando l’accumulo di calore assorbendo quasi totalmente la radiazione infrarossa e l’accumulo elettrico, eliminando l’accumulo di cariche elettrostatiche. Altro ambito di sviluppo è quello delle vernici di rivestimento, dove le vernici a base G+ rendono inattaccabile alla corrosione il materiale ricoperto, schermando dall’elettricità le superfici ricoperte, evitando per esempio, la nascita di microorganismi su scafi di imbarcazioni. Non ultimo infine, ed ancor più significativo e consistente dal punto di vista ambientale, infine, l’impiego del grafene come depuratore di acque reflue e contaminate, con prestazioni stupefacenti, laddove, appena un grammo di particelle G+ ha la capacità di rimozione dalle acque di ben 200 grammi di olio in sospensione, assorbendone stabilmente senza rilascio ambientale, circa la metà (80-90 grammi). Tale stupefacente prestazione, ha spinto l’azienda a chiedere al Ministero dell’Ambiente la certificazione, finalizzata ad inserire le particelle G+, tra i materiali utilizzabili in caso bonifiche a sversamenti di contaminanti in acque marine. Una applicazione che fa tornare alla mente apocalittici innumerevoli disastri ambientali determinati dall’utilizzazione di fonti fossili , come il disastro della petroliera Haven che l’11 aprile 1991 naufragò nel golfo di Genova, provocando la morte di cinque membri dell’equipaggio e causando la perdita di migliaia di tonnellate di petrolio o ancora il disastro della Exxon Valdez che il 24 marzo 1989 si incagliò in una scogliera dello stretto di Prince William un’insenatura del golfo di Alaska disperdendo in mare ben 40,9 milioni di litri di petrolio, o,più recentemente il disastro alla piattaforma semisommergibile di perforazione Deepwater Horizon che effettuava perforazioni in acque profonde del Golfo del Messico, per conto della BP per la realizzazione di un pozzo, con la dispersione in mare di un immenso quantitativo di greggio, con danni inestimabili alle vicine coste dello stato della Louisiana.

In questi tempi di elezioni politiche nel nostro paese, non perdo mai l’occasione, parlando di argomenti inerenti la ricerca amica dell’ambiente e delle nuove energie, di richiedere a gran voce l’esigenza di politiche di lungo respiro in questo fondamentale settore, ed anche stavolta non mancano certo gli argomenti, solo se si pensa che anche nel settore dei nuovi materiali a base di grafite, molte sono le eccellenze italiane come per esempio il Lens (Laboratorio europeo per la spettroscopia non lineare) di Firenze, dove si creano le strutture esagonali tipiche del grafene per studiare effetti di fisica fondamentale e il laboratorio Nest (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) nato dalla collaborazione tra la Scuola Normale di Pisa e l’Istituto di Nanoscienze del Cnr di quella città. Vi sono poi l’Istituto di microelettronica del Cnr, che nei propri centri di Catania e Bologna, studia le applicazioni ambientali, con particolare riferimento alla sensoristica per il monitoraggio ambientale, oltre all’Istituto per l’Officina dei Materiali (Iom-Cnr) di Trento dove si studia l’impiego del grafene in ambito diagnostico. Dico tutto questo nella consapevolezza del ruolo che si richiede alla politica,  che deve creare soprattutto il contesto fertile, affinché le tante eccellenze nella loro singolarità, possano pienamente esprimere tutte le loro potenzialità in una logica sistemica, in un momento nel quale, a differenza di quanto accaduto nel periodo della ricostruzione industriale e del boom economico, crescere “per imitazione” non è più praticabile, ma solo possibile innovando.

Di seguito, Giulio Cesareo Presidente e Amministratore Delegato di Directa Plus nel video istituzionale di presentazione dell’azienda spiega di come l’azienda abbia costruito tutto il proprio processo di innovazione intorno a capisaldi fondamentali individuati nelle persone, nelle tecnologie, nei mercati, nell’implementazione e non ultima per importanza sulla sostenibilità. Tra gli altri interessanti contributi del video, la preziosa testimonianza del Fondatore di Directa Plus Robert Angelo Mercuri, e di alcuni dei giovani ricercatori che compongono il team e non mancano di sottolineare l’importanza di lavorare in un ambiente giovane, dinamico e internazionale, in grado di valorizzare al meglio ciascuna delle loro diverse esperienze, attitudini e potenzialità.

Sauro Secci

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