Scienza dei materiali
Pulizia del Graphene: la chiave per la commercializzazione
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Negli anni, il grafene ha guadagnato molti aggettivi. Alcuni lo hanno definito il “materiale meraviglioso sbalorditivo”, mentre altri lo hanno definito un “supermateriale provato”. Il mondo si è svegliato alle meraviglie del grafene più di un decennio fa.
Nel 2012, Nature ha pubblicato un articolo intitolato ‘Una roadmap per il grafene‘, che ha elaborato il motivo per cui il grafene stava rapidamente emergendo come il frutto prediletto della comunità scientifica. I ricercatori hanno evidenziato le proprietà del grafene come ragione di questo interesse, dicendo:
“Questo tessuto di carbonio spesso un atomo combina in modo unico una resistenza meccanica estrema, conduttività elettronica e termica eccezionalmente elevate, impermeabilità ai gas, oltre a molte altre proprietà suprema, tutte le quali lo rendono altamente attraente per numerose applicazioni.”
Realizzando il potenziale del grafene, l’Unione Europea ha deciso di destinare 1 miliardo di euro o 1,3 miliardi di dollari USA a esso tra il 2013 e il 2023. L’investimento mirava a accertare le capacità trasformative del grafene, specialmente quando applicato a elettronica, energia, salute, costruzione, ecc. Queste iniziative hanno ricevuto il supporto di una lunga scia di ricerca, poiché sono stati scritti oltre 8.000 articoli sul grafene tra il 2005 e il 2013.
Da allora, l’interesse per il grafene nella comunità scientifica non è diminuito. Ora, i ricercatori stanno cercando modi per commercializzare ulteriormente il grafene su scala più ampia. In uno di questi studi, un team di ingegneri della Columbia University, insieme a colleghi dell’Università di Montreal e del National Institute of Standards and Technology, ha esaminato le possibilità di pulire il grafene, rendendolo pronto per una riproduzione commerciale su larga scala.
Affrontare le sfide della sintesi del grafene tramite deposizione chimica da vapore (CVD)
Il CVD è stato uno dei due metodi tradizionali per sintetizzare il grafene, l’altro è il metodo del ‘nastro adesivo’. Il metodo, noto anche come crescita CVD, raggiunge i suoi obiettivi facendo passare un gas contenente carbonio, come il metano, su una superficie di rame a circa 1000 °C.
Il processo rompe il metano in modo che gli atomi di carbonio possano riorganizzarsi e riallinearsi in un unico strato di grafene a forma di nido d’ape. Il vantaggio di questo metodo rispetto al metodo del ‘nastro adesivo’ è che la crescita CVD può creare campioni di grafene molto più grandi, di centimetri o addirittura metri di dimensione. L’output del metodo del ‘nastro adesivo’, invece, produce grafene molto piccolo, di poche decine di micrometri.
I risultati della crescita CVD del grafene sono più ampiamente utilizzabili rispetto a quelli del metodo del ‘nastro adesivo’. Tuttavia, i campioni sintetizzati con CVD soffrono di problemi di riproducibilità e qualità variabile.
Per affrontare queste sfide, i ricercatori hanno ideato un metodo di deposizione chimica da vapore privo di ossigeno (OF-CVD) che può creare campioni di grafene ad alta qualità su larga scala.
Parlando dell’innovazione e della sua qualità pionieristica, James Hone, autore senior della ricerca e Wang Fong-Jen Professor of Mechanical Engineering presso Columbia Engineering, ha dichiarato:
“Dimostriamo che eliminare praticamente tutto l’ossigeno dal processo di crescita è la chiave per ottenere una sintesi di grafene CVD riproducibile e di alta qualità. Questo è una pietra miliare verso la produzione su larga scala del grafene.”
La ricerca, oltre a ciò che ha raggiunto nel campo della scienza e della tecnologia, ha anche mostrato come le collaborazioni accademiche debbano funzionare. Sei anni fa, Richard Martel e Pierre Levesque, co‑autori della ricerca di Montreal, avevano dimostrato che tracce di ossigeno possono rallentare il processo di crescita e incidere il grafene. In quel periodo, basandosi sui risultati di Martel e Levesque, Christopher DiMarco, GSAS 19, ha progettato e costruito un sistema di crescita CVD in cui era possibile controllare la quantità di ossigeno durante il processo di automazione.
Lo studio attuale è una continuazione del lavoro di Martel, Levesque e Di Marco, dove Xingzhou Yan e Jacob Amontree, attuali dottorandi, hanno scoperto che la crescita CVD era molto più veloce quando le tracce di ossigeno sono state eliminate. La qualità di questi campioni CVD privi di ossigeno è praticamente identica a quella del grafene esfoliato, che è molto pulito e privo di impurità che altrimenti avrebbero potuto interferire con le proprietà desiderabili del grafene.
Oltre a produrre grafene pulito e puro, i ricercatori hanno scoperto che era possibile prevedere il tasso di crescita CVD su una gamma di diversi parametri, inclusi pressione del gas e temperatura.
Nei prossimi giorni, i ricercatori pianificano di proseguire con il grafene sviluppando un metodo per trasferire pulitamente il grafene ad alta qualità dal catalizzatore metallico a altri substrati funzionali, come il silicio. Questo amplierebbe notevolmente le possibilità del grafene.
‘Graphene’ pulito: la chiave per la commercializzazione
Il grafene, fin dai suoi primi giorni, ha guadagnato trazione per le sue numerose qualità. I suoi atomi di carbonio sono perfettamente distribuiti in una formazione esagonale a nido d’ape, con uno spessore di soli 0,3 nanometri e una distanza di appena 0,1 nanometri tra ogni atomo. Questa semplicità strutturale e purezza conferiscono al grafene diverse proprietà.
Ad esempio, è 200 volte più resistente dell’acciaio ma sei volte più leggero. La sua trasparenza è quasi perfetta, consentendo il passaggio di circa il 98 % della luce assorbendone solo il 2 %. Il grafene è anche impermeabile ai gas, e le sue proprietà possono essere modificate aggiungendo componenti chimici alla sua superficie. Annick Loiseau dell’Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) ha coniato lo slogan: “Il futuro è nella grafite a matita!”
In sostanza, il grafene era pronto per essere commercializzato. Era preparato per il grande salto. Tuttavia, un’area che rimaneva controversa era la pulizia del grafene mantenendo le sue dimensioni. La ricerca attuale mostra come creare grafene pulito di dimensioni centimetriche o addirittura metrico‑metri e renderlo pronto per una commercializzazione su larga scala.
Con i benefici del grafene disponibili per tutti da esplorare e utilizzare, la comunità scientifica si è interessata alle possibilità di altre strutture elementari a monostrato. L’elemento che ha ottenuto distinzione è stato il boro, il cui monostrato è chiamato Borofene.
Il confronto tra Graphene e Borofene
Grafene e Borofene sono fogli singoli dei rispettivi elementi. Hanno una elevata resistenza strutturale, sono altamente flessibili e non si degradano facilmente.
Ci sono anche alcune differenze. Per esempio, il grafene presenta fogli planari e una struttura reticolare esagonale. I fogli di Borofene presentano una leggera curvatura e esistono in tre sotto‑allotropi con differenti disposizioni di triangoli e esagoni.
Abbiamo già discusso le proprietà che il grafene possiede. Le proprietà del Borofene lo rendono un elemento cruciale in fotovoltaico, elettronica flessibile e tecnologie display, grazie all’alta conduttività elettrica e trasparenza ottica lungo la direzione ‘a’ e a tutte le nuove forme di anisotropia.
Nel complesso, lo sviluppo di grafene e Borofene ha reso possibile sperimentare diverse innovazioni tecnologiche con interessanti qualità applicate.
Nella discussione odierna, incentrata sul grafene, esamineremo le aziende che hanno innovato nella loro applicazione del grafene. Ma prima di analizzare le singole aziende e i loro risultati, dobbiamo esaminare il Graphene Flagship, il consorzio pionieristico che sta aprendo nuovi orizzonti per trovare soluzioni diverse con il grafene.
Il Graphene Flagship
Finanziato dall’Unione Europea, il Graphene Flagship riunisce 118 partner accademici e industriali in 12 progetti di ricerca e innovazione e un progetto di coordinamento e supporto “per avanzare l’autonomia strategica dell’Europa nelle tecnologie che si basano sul grafene e altri materiali 2D”.
Negli ultimi dieci anni, il Graphene Flagship ha raggiunto numerosi traguardi. Il più recente e forse il più importante di questi traguardi finora è stato il successo del progetto pionieristico di integrazione di semiconduttori in materiale 2D del grafene.
Il progetto è iniziato nell’ottobre 2020 per portare il grafene e i materiali correlati (GRM) dal laboratorio alla produzione commerciale scalabile e all’uso. Con un budget di 20 milioni di euro distribuito su quattro anni, il progetto 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) si è concentrato su prototipazione, fabbricazione di wafer e abilitazione dei processi.
I risultati sono stati promettenti, per non dire altro. Grazie ai risultati del progetto, accademici, ricercatori e aziende private hanno avuto un’opportunità unica di testare e prototipare idee innovative per dispositivi a materiale 2D. Questo ha portato a lanci di wafer multi‑progetto (MPW), che hanno consentito lo sviluppo di prototipi a basso costo e su larga scala.
Nell’area dell’abilitazione dei processi, il Graphene Flagship ha assistito la comunità scientifica costruendo due nuovi strumenti su misura, tra cui un reattore di deposizione chimica da vapore metalorganica (MOCVD) di Aixtron e uno strumento automatizzato di trasferimento di strati 2D di SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Questi strumenti hanno reso possibile condurre test approfonditi e modificare i processi di crescita e trasferimento di strati di materiali 2D, che sono essenziali per raggiungere elevate capacità produttive in futuro.
Mentre spiegava i risultati del Graphene Flagship e del suo progetto 2D‑EPL, Patrik Johansson, direttore del Graphene Flagship, ha dichiarato:
“La Pilot Line non riguarda solo i dati concreti e i progressi scientifici e tecnologici che abbiamo raccolto insieme, ma anche — e forse ancora più importante — le interazioni personali che hanno creato un terreno di gioco per la cross‑fertilizzazione di idee per il futuro dell’innovazione dei materiali 2D in Europa. Poiché il mercato globale del grafene è destinato a crescere esponenzialmente, da un fatturato annuo di 380 milioni di US$ nel 2022 a 1,5 miliardi di US$ in soli cinque anni, progetti come il 2D‑EPL sono vitali per mantenere l’Europa all’avanguardia nello sviluppo e nell’innovazione.”
Oltre al Consorzio, alcune aziende e imprese individuali hanno svolto un lavoro eccellente in questo campo. Nei segmenti seguenti, brevemente, discutiamo un paio di queste aziende.
#1. NanoXplore
Fondata nel 2011 e con sede a Montréal, Quebec, NanoXplore ha una struttura di produzione di polvere di grafene da 4.000 tonnellate metriche all’anno (GRA.TO ) progettata con una struttura modulare. L’azienda è specializzata nello sviluppo e nella formulazione di soluzioni a base di grafene come additivo per migliorare le prestazioni dei materiali industriali all’interno di termoplastici e termoindurenti.
Lo stabilimento NanoXplore dispone di capacità di estrusione di livello mondiale per creare masterbatch potenziati con grafene in poliolefine e polimeri ingegnerizzati. Attraverso la sua tecnologia pulita brevettata e proprietaria, NanoXplore offre ai clienti una gamma di soluzioni a base di grafene, inclusi il polvere GrapheneBlackTM e le pellet di masterbatch potenziati con grafene. La divisione Composites di NanoXplore offre prodotti plastici e compositi standard e personalizzati a vari clienti nei settori dei trasporti, imballaggi, elettronica e altri settori industriali.
Graphene Black di NanoXplore è una polvere di grafene multi‑uso con il miglior equilibrio tra miscelabilità e fabbricabilità. Questo consente al grafene di aumentare la sua viabilità commerciale e migliorare significativamente le proprietà di plastiche e polimeri.
NanoXplore sta anche cercando di aggiungere GrapheneBlack alle attuali chimiche Li‑ion in anodi Li‑ion abilitati al silicio per migliorare la capacità energetica e la velocità di ricarica nelle sue batterie potenziate con grafene, utili per veicoli elettrici, sistemi di accumulo energetico e camion e autobus elettrici.
Secondo i suoi ultimi rapporti finanziari, NanoXplore ha registrato ricavi di 33,87 milioni e quasi 92 milioni di dollari canadesi per i periodi di tre e nove mesi chiusi al 31 marzo 2024, rispettivamente.
Un’altra azienda che ha avuto successo nella produzione pulita di polvere di grafene è GMG o Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
È un’azienda di clean‑technology con un processo di produzione proprietario che fabbrica polvere di grafene da materie prime a basso costo e facilmente disponibili. Il processo produce “grafene di alta qualità, a basso costo, scalabile, modulabile e privo di contaminanti” che aiuta sviluppare soluzioni nei settori del risparmio energetico e dell’accumulo di energia.
Più specificamente, la gamma di prodotti GMG include rivestimenti HVAC‑R (riscaldamento, ventilazione, aria condizionata, refrigerazione) potenziati con grafene, lubrificanti e fluidi. L’azienda sta anche lavorando alla commercializzazione delle batterie al grafene alluminio‑ione di GMG, che hanno il potenziale di avere una densità energetica migliore rispetto alle batterie al litio‑ione.
Per i periodi di tre e nove mesi terminati il 31 marzo 2024, GMG ha guadagnato ricavi di 53.000 e 212.000 dollari australiani, rispettivamente.
Il materiale meraviglioso del futuro?
Le proprietà rivoluzionarie e le caratteristiche del grafene consentiranno di ottenere risultati ancora più importanti in futuro. Sarà utilizzato in Elettronica, Fotonica, Energia, Biomedicale, Compositi e nella progettazione dei materiali 2D di domani.
Questi materiali 2D offrono proprietà fisiche e chimiche eccezionali, consentendo applicazioni rivoluzionarie in optoelettronica, energia, sensori, compositi e altro ancora. La chiave per una crescita rapida sarà sviluppare metodi che lavorino con il grafene nella maniera più sostenibile e a basso costo possibile.
