Dalla sua scoperta iniziale nel 2004 da parte di due professori dell'Università di Manchester, il grafene ha avuto un grande successo nella comunità scientifica. I suoi scopritori hanno vinto un premio Nobel nel 2010 per aver sviluppato l’idea, quindi è iniziata la corsa per trovare modi per produrla e applicarla. Roop Mahajan, professore di ingegneria meccanica presso Lewis A. Hester presso la Virginia Tech, ha contribuito a compiere un significativo passo avanti in quella corsa.
Il grafene vanta caratteristiche impareggiabili:è 200 volte più resistente dell'acciaio, ma più leggero della carta e presenta proprietà meccaniche uniche. Su scala microscopica, assume la forma di reticoli di carbonio a forma esagonale con uno spessore di un solo atomo.
Grazie alle sue proprietà uniche, il grafene ha molteplici applicazioni:
Il team di Mahajan ha integrato il grafene nei materiali e nelle tecnologie esistenti per rafforzarne la resistenza senza aggiungere molta massa extra, costruendo un approccio pratico per sfruttare le proprietà uniche del grafene. Lo sforzo ha prodotto una miriade di modi innovativi per incorporare il grafene nei prodotti di uso quotidiano, sfruttando il massimo potenziale del materiale.
Poiché il grafene è costituito principalmente da carbonio, i ricercatori devono iniziare con un materiale naturalmente ricco di carbonio. La grafite, il componente principale della mina delle matite, è la scelta abituale perché la sua composizione è carbonio quasi puro.
Poiché il grafene è un foglio di materiale spesso un atomo, la sua produzione richiede una quantità significativa di lavorazione. La tecnica più popolare è una versione modificata di un approccio noto come metodo Hummer e utilizza acido solforico, permanganato di potassio, nitrato di sodio e perossido di idrogeno in varie fasi. Tre di queste quattro sostanze chimiche sono considerate pericolose.
Ma il gruppo di Mahajan ha reimmaginato un metodo più sostenibile per ottenere il grafene non dalla grafite ma dal carbone, riducendo drasticamente il numero di sostanze chimiche aggressive a una sola:l’acido nitrico. Con meno sostanze chimiche pericolose e meno smaltimenti da gestire, questo approccio riduce l'impatto ambientale e il rischio per i ricercatori.
La sostituzione della grafite come fonte primaria del materiale del futuro comporta vantaggi. La maggior parte della grafite proviene dalla Cina, il che rende la sua catena di approvvigionamento alquanto incerta. Inoltre, la grafite è un ingrediente fondamentale nelle batterie e il forte aumento della domanda globale di batterie ha ridotto notevolmente tale offerta.
Sebbene il carbone contenga una percentuale inferiore di carbonio (dal 60 all’80% rispetto a una composizione pari a quasi il 100% della grafite), il metodo di produzione meno pericoloso adottato dal team promette un futuro migliore per l’ambiente. Questo cambiamento potrebbe anche aprire le porte a un'economia del carbone in rapida diminuzione in tutto il mondo, in gran parte a causa del suo contributo al riscaldamento globale quando il carbone viene bruciato.
Oltre ai benefici ambientali, ci sono bonus economici. Il team di Mahajan produce grafene che è da 10 a 15 volte meno costoso rispetto ai metodi precedenti, creando una fornitura a basso costo che potrebbe stimolare nuove innovazioni nel mercato e aiutare la commercializzazione.
"La riduzione dei costi di produzione del grafene è fondamentale per sfruttare appieno le sue proprietà eccezionali e accelerarne l'adozione su vasta scala in diverse applicazioni, catalizzando potenzialmente lo sviluppo di nuovi mercati e industrie", ha affermato Mahajan.
Nel processo unico di Mahajan, il viaggio per sintetizzare il grafene inizia con il meticoloso processo di macinazione di pezzi grezzi di carbone per creare una polvere grossolana. La polvere viene messa in un grande cilindro che contiene biglie bianche di diverse dimensioni, quindi arrotolata. Le biglie macinano e frantumano la polvere riducendone ulteriormente le dimensioni. La polvere macinata a palle viene quindi privata chimicamente delle impurità come solfiti metallici e ceneri.
Il carbone macinato e purificato viene quindi posto in un bagno di acido nitrico, che converte il carbone in ossido di grafene. L'acido viene drenato e il carbonio non reagito viene rimosso, ottenendo polvere di ossido di grafene, che può poi essere ulteriormente convertita in grafene mediante trattamento termico. Questa è la sostanza che è stata mescolata con adesivi, silicio, vetro e metallo per produrre nuovi tipi di materiali compositi per una varietà di applicazioni.
Il team di Mahajan ha dimostrato prestazioni superiori per il carbone rispetto al grafene derivato dalla grafite. Questo lavoro pionieristico ha portato a un flusso costante di pubblicazioni, inclusa una sulla rivista Carbon .
Questo articolo descrive in dettaglio il nuovo processo del team e dimostra la superiorità del grafene derivato dal carbone nello sviluppo di sensori altamente sensibili per separare e rilevare aptameri di DNA a filamento singolo. Questi sensori sono ampiamente utilizzati in ambito diagnostico, terapeutico, di sicurezza alimentare e in vari settori grazie alla loro capacità di legarsi a specifiche molecole bersaglio con elevata affinità e specificità.
Ampliare la comprensione sia di un nuovo materiale che di un nuovo processo richiede un team più ampio e Mahajan sapeva esattamente a chi rivolgersi, grazie al suo ruolo di leadership nell'impronta di ricerca globale di Virginia Tech.
Mahajan è il direttore della ricerca strategica e dell'innovazione per VT India, il che gli dà una linea diretta per promuovere l'innovazione. Questo team di scienziati, con sede a Chennai, in India, ha avuto un ruolo fondamentale nell'espansione del settore del grafene.
Questo lavoro ha prodotto un articolo su ACS Applied Nanomaterials concentrandosi sul ruolo dell'ossido di grafene come nanoriempitivo nel migliorare le prestazioni meccaniche dei polimeri rinforzati con fibra di vetro. E il team sta esplorando attivamente altre potenziali applicazioni, tra cui
Sebbene lo sviluppo di nuove tecnologie crei un ambiente scientifico entusiasmante, Mahajan si concentra su qualcosa di più della semplice innovazione. Ridurre i rischi ambientali e aumentare la produzione del “materiale meraviglioso” ha implicazioni più profonde:una migliore qualità della vita per tutti. Un uso più intelligente dell'energia, materiali più affidabili e numerose opzioni per l'assistenza sanitaria contribuiscono a questa causa.
"Questo ampio spettro di applicazioni esemplifica il notevole potenziale delle tecnologie del grafene derivato dal carbone nel rimodellare le industrie e migliorare la vita su scala globale", ha affermato Mahajan.
Ulteriori informazioni: Anushka Garg et al, Sintesi semplificata in un unico vaso dell'ossido di grafene da diversi carboni e sua potenziale applicazione nel miglioramento delle prestazioni meccaniche dei nanocompositi GFRP, Nanomateriali applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c03197
Fornito da Virginia Tech
