La “Graphene Flagship” è un fiore all’occhiello della tecnologia futura ed emergente della Commissione europea. Il 3 aprile 2020, è stato annunciato il passaggio alla cosiddetta fase “Core 3”, il quarto ciclo di finanziamenti dell’iniziativa di ricerca da 1 miliardo di euro fondata dalla Commissione europea.

In questa fase triennale del progetto, la Graphene Flagship prevede di andare ben oltre la commercializzazione del grafene e dei materiali stratificati. Pur mantenendo l’attenzione sulla ricerca, il Core 3 della Graphene Flagship si concentrerà in particolare sulle ricerche innovative per portare le tecnologie basate sul grafene a livelli superiori di maturità tecnologica (Technology Readiness Level (TRL)).

Cos’è il grafene?

Il grafene può essere suddiviso in tre tipologie differenti: monostrato, a doppio strato e multistrato.

• Il grafene monostrato è la forma più pura disponibile con caratteristiche uniche, che lo rendono un prodotto ideale per una vasta gamma di applicazioni.
• Il grafene a doppio strato e multistrato hanno caratteristiche differenti (meno qualitative).

Maggiore è il numero degli strati, meno costoso diventa da produrre. In questo articolo viene trattato unicamente il grafene monostrato, in quanto, ad oggi, è il tipo che offre i risultati migliori in diversi ambiti.

Il grafene è il primo materiale 2D a livello mondiale costituito da un unico strato atomico di carbonio, lo stesso materiale utilizzato per diamanti e punte delle matite. Gli atomi di carbonio contenuti nel grafene sono organizzati secondo una struttura esagonale. Il grafene monostrato è caratterizzato dalle seguenti proprietà

• 200 volte più resistente dell’acciaio
• 000.000 volte più sottile di un capello umano
• Il materiale più leggero al mondo (1 m² pesa circa 0,77 milligrammi)
• Flessibile
• Trasparente
• Impenetrabile per molecole
• Conduzione elettrica e termica eccellente

Il grafene può anche essere combinato con altri materiali, come gas e metalli, per produrre materiali nuovi dotati delle proprietà descritte sopra o per migliorare quelle dei materiali esistenti. Ad oggi, non esiste ancora un metodo per produrre grafene su larga scala con costi accettabili.  Ma stiamo ancora cercando.

Deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma (PE-CVD)

Esistono un paio di metodi differenti per produrre il grafene. Uno dei metodi più comuni per la produzione di grafene monostrato è la deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma (PE-CVD). In questo metodo, una miscela di gas, in cui almeno un gas contiene carbonio, viene riscaldata fino a formare del plasma. I misuratori e i regolatori di portata massica sono utilizzati nei processi CVD per dosare accuratamente i liquidi e i gas.

Nella PE-CVD, il plasma forma uno strato di grafene su un substrato di nichel o di rame. Il riscaldamento viene eseguito in condizioni di vuoto, ma è possibile applicare anche dei processi CVD più “verdi”, dove il riscaldamento viene effettuato a pressione atmosferica. La deposizione chimica da vapore consente di produrre grandi lamine di grafene.

Modello in 3D della struttura del grafene

Alcuni dei precursori sono liquidi che devono prima evaporare per poter essere utilizzati in forma gassosa nel processo di CVD. È molto importante che il plasma venga creato con le giuste proporzioni e precisione. A tal fine, si consiglia di utilizzare degli strumenti di flusso altamente accurati. Una deviazione nel plasma può generare difetti nello strato di grafene. Con difetti si intendono impurità nella struttura 2D che possono alterare le proprietà uniche del materiale.

Ricerche mirate alla produzione di grafene di alta qualità mediante l’utilizzo di tecniche basate sul plasma a pressione atmosferica

Il nostro distributore spagnolo, Iberfluid Instruments S.A, ha recentemente collaborato con l’Università di Cordoba a una ricerca il cui obiettivo è di esaminare le opportunità relative alla produzione di grafene su larga scala attraverso l’uso di una tecnica basata sul plasma a pressione atmosferica. In questa ricerca, è stato fatto evaporare dell’etanolo utilizzando il sistema di evaporazione Bronkhorst, il cosiddetto sistema a evaporazione e miscelazione controllata (CEM), per la formazione del plasma. L’utilizzo di un sistema di evaporazione ha permesso di far evaporare direttamente i liquidi in modo da generare il gas corretto per il plasma. Una possibile configurazione di un simile sistema di evaporazione può essere composto da un sistema CEM dotato di misuratore di portata aggiuntivo (ovvero, un misuratore di portata massica Coriolis, serie mini CORI-FLOW) per l’etanolo, un regolatore di portata (ovvero, un regolatore di portata massica EL-FLOW) per l’argon, che funge da gas vettore, e infine una valvola di controllo o una valvola di miscelazione a temperatura controllata.

Il sistema CEM di Bronkhorst per la ricerca all’Università di Cordoba

Un sistema di evaporazione come il sistema CEM di Bronkhorst è in grado di garantire prestazioni eccellenti in termini di stabilità e accuratezza. Queste proprietà garantiscono una produzione di plasma affidabile, che implica un grafene di qualità superiore.

Nel documento di ricerca “Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch” si descrive perché l’Università di Cordoba (ES) ha deciso di utilizzare il sistema di evaporazione e miscelazione controllata di Bronkhorst nel processo PE-CVD di produzione del grafene.

Aree di applicazione del grafene

Data la moltitudine di proprietà uniche, la ricerca si articola in diverse aree di applicazione. L’attenzione si concentra principalmente sul grafene monostrato e a doppio strato. Al momento, sembra che il grafene monostrato offra comunque i risultati migliori. Allo stesso tempo, è stato preso in considerazione l’uso dei cosiddetti fiocchi. Questi fiocchi sono piccoli pezzi di grafene miscelabili con altri materiali, come i polimeri. L’aggiunta di fiocchi di grafene può migliorare le proprietà di questi materiali, il che rende il grafene ampiamente applicabile in diversi settori. Di seguito si riportano alcuni esempi basati sull’uso di grafene monostrato:

• Purificazione dell’acqua: gli scienziati stanno sviluppando un sistema di filtraggio avanzato basato sull’ossido di grafene utilizzato per rendere potabile l’acqua inquinata.
• Industria medicale: dato che il grafene non è velenoso per il corpo umano, la ricerca si sta concentrando sulle possibilità di utilizzarlo nel trasporto dei farmaci all’interno dell’organismo, attaccando il farmaco al grafene. Il grafene è anche in grado di prevenire la formazione di batteri, il che lo rende ideale da utilizzare come rivestimento per gli impianti.
• Industria energetica: data l’ampia superficie e le eccellenti proprietà di conduzione elettrica, il grafene potrebbe trovare impiego nell’ambito della conservazione dell’energia. L’obiettivo è di realizzare delle batterie al grafene più compatte di quelle al momento disponibili, aumentandone la capacità in modo da poterle caricare in pochi secondi.
• Industria tessile: il grafene potrebbe essere utilizzato per trasformare i componenti elettronici dei tessuti in sensori efficaci, efficienti e altamente accurati. Inoltre, si potrebbero realizzare rivestimenti anticorrosione e inchiostri conduttivi.
• Industria dei semiconduttori: grazie alla sua buona conduttività elettrica e termica, il grafene permette di aumentare la velocità e la capacità dei chip (per computer e smartphone).

Area di applicazione del grafene: industria tessile