grafene

Nuovi materiali: il potere del grafene spiegato da BeDimensional

Vittorio Pellegrini, direttore della scale-up nata all’IIT di Genova, ci spiega perché il grafene è rivoluzionario e quali saranno le sue applicazioni future, dagli occhiali alle batterie di nuova generazione

18 Gen 2022

Vittorio Pellegrini è un super esperto di grafene: come direttore della scale-up BeDimensional, considerata una delle più importanti società al mondo in questo settore e nata all’IIT di Genova, ci aiuta a capire perché il grafene è rivoluzionario e quali saranno le sue applicazioni future, dagli occhiali alle batterie di nuova generazione.

Dal 2013, la Commissione Europea ha lanciato  il Graphene Flagship Project, un’ ambiziosa iniziative di ricerca europe, con una durata programmata di dieci anni e un budget di cento milioni di euro all’anno, in cui anche l’Italia è in prima linea, con la partecipazione del Consiglio Nazionale delle Ricerche, dell’Istituto Italiano di Tecnologia, di tante università e centri di ricerca e di grandi aziende, come appunto anche BeDimensional.

Cos’è il grafene

grafene-materiale

Il grafene è un nuovo materiale, un nano-materiale a 2 dimensioni, fatto di un semplice strato mono-atomico di atomi di carbonio disposti a geometria esagonale.

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Il grafene è il materiale più sottile del mondo, è infatti spesso solo un atomo, un milione di volte più sottile di un capello umano.

Tuttavia, è molto forte, più forte dell’acciaio e del diamante. Questo, ovviamente, permette di immaginare le più varie applicazioni in tantissimi campi in cui servano robustezza, durata, flessibilità come nei dispositivi indossabili e nell’elettronica pieghevole.

Sarebbe un’ottima soluzione per gli schermi pieghevoli, dato che è anche trasparente. Inoltre, il grafene è un grande conduttore di elettricità e calore. Le proprietà conduttive del grafene possono anche rendere le batterie più durature.

E, naturalmente, il grafene è leggero – è solo uno strato di atomi di carbonio! Le industrie automobilistiche e dell’aviazione stanno studiando il grafene per rendere le auto e gli aerei meno pesanti, il che ridurrà il consumo di carburante e le emissioni di carbonio.

Dove si trova il grafene

Il grafene deriva dalla grafite, il materiale con cui sono composte le nostre matite, talmente sottile da essere considerato un materiale bidimensionale, formato da unico strato di atomi di carbonio situati ai vertici di esagoni regolari posti su un reticolo planare.

La sua scoperta è avvenuta ad opera di due ricercatori russi cui è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov.

Le sue proprietà lo rendono molto interessante per numerose applicazioni e in diversi campi della tecnologia, dall’elettronica all’aeronautica, dalla medicina all’esplorazione spaziale.

(Fonte immagine: Graphene Flagship)

A cosa serve il grafene

Il grafene è un materiale molto resistente e può essere utilizzato per aumentare la resistenza di altri materiali. Alcuni studi hanno dimostrato che aggiungere una piccola quantità di grafene a metalli, plastica, ecc, può rendere questi materiali molto più forti o più leggeri.

In generale, il grafene è considerato uno dei materiali più importanti per lo sviluppo di molte tecnologie di prossima generazione: dalle telecomunicazioni 5G, agli schermi mobili flessibili e agli involucri;  l’elettronica indossabile e l’internet delle cose; le batterie, la sensoristica, le tecnologie per l’energia rinnovabile; il filtraggio dell’acqua. Ma non solo: il grafene sta anche inserendosi nel settore biomedico, aprendo la strada alla somministrazione mirata di farmaci e ai biosensori. Un tema, quest’ultimo, che ovviamente non è immune da critiche.

Come si produce il grafene

Per sperimentare la produzione di grafene basta prendere una matita e passarla su del nastro adesivo: otteniamo uno strato di grafene. Ovviamente per essere utilizzato e ottenere un film non è così che si produce!

E’ proprio la produzione la vera innovazione del grafene, è un tema su cui c’è ancora molta ricerca, ma fondamentalmente sono tre i sistemi principali: l’esfoliazione meccanica, l’esfoliazione in fase liquida e il sistema chimico CVD.  Con l’esfoliazione meccanica si applica una forza alla superficie di cristalli di grafite altamente orientata che è in grado di staccare e dispiegare gli strati cristallini della struttura fino a ricavare lo strato necessario. L’esfoliazione in fase liquida sfrutta le forze di pressione all’interno di un liquido.

Il grafene CVD (Chemical Vapour Deposition) è prodotto attraverso un processo in cui gli atomi di carbonio sono evaporati e poi depositati su un foglio di rame. Il grafene CVD può essere usato per applicazioni come l’elettronica trasparente e flessibile e i rivestimenti anticorrosione.

BeDimensional e la sua storia

Il grafene è l’innovazione di cui si occupa BeDimensional, società startup italiana, che ha conquistato la ribalta delle cronache a novembre 2018 quando ha annunciato un investimento da 18 milioni di euro da parte di un socio industriale. Oggi la società, spin-off dei Graphene Labs dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, ha un programma di sviluppo e crescita ben definito, come spiega a Startupbusiness Vittorio Pellegrini che riveste il doppio ruolo di direttore dei Grafene Lab dell’IIT ed è co-fondatore di BeDimensional.

“L’idea di BeDimensional nasce in pratica quando abbiamo fondato il Grafene Lab di IIT, era il 2014, io arrivavo dal CNR e dalla Normale, oggi il laboratorio ha 38 persone che lavorano sul grafene. Poi nel 2016 insieme ad altri tre co-fondatori abbiamo creato BeDimensional con l’idea di costruire una realtà per la produzione del materiale. Nel 2018 è arrivato il primo investitore privato, una famiglia di Genova che gestisce la distribuzione dei giornali in Liguria e Sardegna, Camponovo Group che acquisisce il 51% a una valutazione di 2,5 milioni di euro quindi versa 1,275 milioni di euro, questo avviene a marzo, passano pochi mesi e a novembre 2018 arriva l’ingresso di Pellan Group di Vigevano, gruppo che da sempre si occupa di materiali e che entra con un finanziamento da 18,45 milioni di euro per il 32%, la cap table oggi vede i tre gruppi di soci: Camponovo, Pellan e noi ricercatori tutti con una quota del 32%, il valore totale di quanto abbiamo raccolto è di 19,7 milioni di euro e siamo diventati Spa”.

BeDimensional nasce nel 2016 dopo più di 10 anni di lavoro e ricerca nel mondo dei materiali bidimensionali dei due cofondatori: Vittorio Pellegrini e Francesco Bonaccorso. L’attività di ricerca è culminata nella fondazione dei Graphene Labs dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) nel 2013 e diretto da Vittorio Pellegrini fino al 2020 con la missione di sviluppare una nuova classe di materiali intelligenti basati sul grafene e altri materiali stratificati 2D. Dal 1 aprile 2020 Vittorio Pellegrini e Francesco Bonaccorso hanno lasciato i Graphene Labs e sono entrati a far parte di BeDimensional come ricercatori a tempo pieno.

BeDimensional è oggi parte del Graphene Flagship Project.

Le straordinarie proprietà del grafene

Vittorio Pellegrini, direttore di BeDimensional

Perché il grafene è così importante e perché è opportuno investire risorse finanziarie, tempo e talenti?

“Il grafene ha proprietà di resistenza meccanica elevata, oltre 100 volte più dell’acciaio perché gli atomi sono legati tra loro da legami chimici molto forti. Ha proprietà eletto-conduttive e termo-conduttive superiori a quelle del rame. Ha un rapporto tra superficie e peso molto elevato, si pensi che un foglio di grafene del peso di un grammo compre una superficie pari alla metà di un campo da calcio. È inoltre totalmente impermeabile, flessibile e può essere reso otticamente trasparente ed è biodegradabile. Insomma il grafene riunisce in sé proprietà che si trovano solo in materiali diversi. E la cosa paradossale è che la grafite ha meno proprietà del grafene, quindi in questo caso il contenuto è meglio del contenitore”.

Le applicazioni del grafene

Il grafene appare quindi come un materiale meraviglioso ma quali sono le sue applicazioni? In che modo può migliorare il mondo? È sempre Vittorio Pellegrini a dircelo: “si possono fare nuovi compositi super resistenti, leggeri e flessibili, che sono anche ignifughi, possiamo usarlo per la coibentazione termica, per superfici ad alta capacità conduttiva come per esempio per il fotovoltaico, possiamo fare batterie più efficaci e potenti, vernici, modulatori ottici per comunicazione dati, display. Le applicazioni sono moltissime e la parte difficile è la produzione del materiale in grande quantità”.

Ed è questa la sfida di BeDimensional che ha messo a punto un sistema brevettato e innovativo per la produzione di grafene.

“Sta avvenendo un po’ ciò che è accaduto con l’alluminio – spiega Pellegrini – la parte di produzione è fondamentale ma non è sufficiente perché le aziende non saprebbero come usarlo. Quindi noi dobbiamo sia produrre materiale meglio di tutti, sia sviluppare soluzioni applicative seguendo richieste specifiche, non vendiamo grafene ma prodotti che integrano il grafene per chi li richiede, lo faremo on demand e sceglieremo i filoni più promettenti che sono quelli suggeriti anche dalla richiesta: rivestimenti funzionali coating per proteggere da agenti esterni e calore, compositi miscelando grafene con altri prodotti tipo plastiche e fibre per la produzione per esempio di occhiali, pezzi di automobile, mentre vediamo l’applicazione in campo energetico più a lungo termine. La prima applicazione sarà il rivestimento per un filato per renderlo elettricamente conduttivo, faremo una resina apposita e poi nastri adesivi termicamente conduttivi e copertine di libri che siano resistenti all’usura”.

Il grafene nelle mascherine

Una delle recenti applicazioni del grafene, per le sue proprietà antisettiche, è quella alle mascherine anti-Covid. Proprio uno studio internazionale coordinato dall’Università Cattolica, campus di Roma- Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli Irccs e pubblicato su “iScience”, ha dimostrato che il nanomateriale inserito nei tessuti li rende efficaci nell’inattivare il virus.

Tuttavia, c’è stata anche della comunicazione contro l’uso di grafene per le mascherine, in quanto considerato tossico e in diversi Paesicome Francia e Spagna sono state sconsigliate le le mascherine FFP2 denominate “Biomass Graphene” a causa di un possibile rischio per la salute legato alla presenza di particelle di grafene in questi dispositivi di protezione. In realtà, le note informative istituzionali sembrano sempre riferirsi a lotti di specifiche mascherine.

Sulla tossicità dell’ossido di grafene per l’organismo ci sono ancora ricerche in corso, come in generale per diversi nanomateriali, se ne occupa anche l’iniziativa eurpea.

I costi del grafene

Ma quanto costa il grafene? “Per dare una risposta corretta – dice Pellegrini – occorre premettere che BeDimensional è in grado di modulare le caratteristiche dei fogli di grafene prodotti, quindi di produrre grafene di diversa qualità: possiamo infatti ottenere foglietti di grafene composti da circa 8 strati atomici sino a una tipologia più raffinata con fogli composti da tre strati atomici.

Spingendo il processo di purificazione possiamo arrivare a produrre grafene puro composto da un singolo strato atomico e questo ha un grosso impatto sul costo, che varia da circa 3.500 euro al chilogrammo a oltre 11mila. Quando produrremmo 3,5 tonnellate, riteniamo che il prezzo possa progressivamente ridursi significatamene. Va sottolineato che noi non vendiamo il grafene, ma prodotti basati sul grafene, e che mediamente la quantità necessaria è molto piccola, per esempio serve un solo grammo di grafene per un paio di occhiali da 100 grammi di peso complessivo per avere un prodotto del tutto nuovo”.

Senza dubbio il grafene è uno dei materiali più costosi al mondo: un film di 4″ x 4″ di grafene CVD costa circa 400 dollari. Ciononostante, il mercato del grafene sta crescendo molto.

Grafene e cristalli bidimensionali

Il grafene è solo il primo di una nuova categoria di cristalli bidimensionali che dopo la scoperta del grafene hanno visto crescere in modo significativo l’interesse, se ne conoscono più di 2500 come per esempio il nitruro di boro che è ottimo isolante elettronico e ognuno di questi può essere tradotto nella sua manifestazione bidimensionale grazie al processo messo a punto da BeDimensional.

“E’ una rivoluzione pari a quella della plastica da un punto di vista scientifico – enfatizza Pellegrini – e ora lo deve diventare anche a livello industriale”.

Le potenzialità del grafene per batterie innovative

Una delle sfide per il grafene e la sua industrializzazione è anche quella di accrescere durata ed efficienza delle batterie che sono un elemento sempre più critico in molti settori: BeDimensional, per esempio, ha già lavorato con aziende come Varta e Bmw per la realizzazione di una batteria silicio-grafene.

Ma più di recente la vera scommessa sono le batterie a flusso di vanadio, su cui stanno lavorando Enel Green Power e Bedimensional: hanno pubblicato sulla rivista internazionale Chemistry of Materials, un lavoro che descrive un nuovo tipo di elettrodo con grafene in grado di rendere più efficiente le attuali batterie a flusso al vanadio, raggiungendo il 94% di efficienza energetica. Questa tecnologia è particolarmente utilizzata per immagazzinare energia proveniente da fonti rinnovabili come campi eolici o fotovoltaici, sistemi di raccolta di energia che vedranno una significativa diffusione nei prossimi anni.

Lo sviluppo di batterie a flusso al vanadio aventi alta densità di potenza e dotate di alta efficienza energetica è considerato cruciale per il futuro dello stoccaggio dell’energia in sistemi stazionari. Rispetto ai metodi tradizionali per l’immagazzinamento energetico da fonti rinnovabili, le batterie a flusso al vanadio sono più sostenibili e sicure.

Il grafene per affrontare le sfide della sostenibilità

Come abbiamo menzionato, sono tanti i settori in cui il grafene, cone le sue eccezionali proprietà, permette avanzamenti di notevole portata, dallo spazio e dall’energia, per esempio, e quindi anche alla sostenibilità.

Si può sottolineare nuovamente come l’utilizzo di materiali combinati con il grafene nell’aerospazio, nelle costruzioni, nei dispositivi per la produzione energetica, nelle batterie, consenta di ottenre prestazioni migliori con minore dispendio energetico e ciò si traduca in minori emissioni.

Un altro esempio ‘green’ meno noto è quello nella sanificazione dell’acqua – tema di cui all’obiettivo 6 dell’Agenda 2030 – : grazie al grafene si possono creare filtri portatili e sistemi per la rimozione dei metalli pesanti dall’acqua.

Come è possibile scoprire ascoltando il video o leggendo questo articolo, lo sviluppo del grafene contribuisce a diversi obiettivi di sviluppo sostenibile.

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