C’è qualcosa di paradossale nell’usare un frullatore da cucina per produrre grafene. In fondo, stiamo parlando del “materiale delle meraviglie” associato a tecnologie futuristiche. E quindi ci aspettiamo che la sua produzione richieda strumenti altrettanto futuristici. In genere, in effetti, è proprio così.
Per produrre grafene in forma liquida servono grafite purificata (la “mina” delle matite), solventi o additivi particolari, acqua ultrapura e una lavorazione molto accurata. Noi ci siamo chiesti cosa accade provando a produrlo con oggetti e strumenti che abbiamo in casa.
E’ possibile, per esempio, partire dalla grafite recuperata da rifiuti elettronici, usare vecchi giornali per tenerla in sospensione in un liquido, mescolare il tutto in comune acqua di rubinetto e ottenere comunque grafene utile?
Il grafene è molto più resistente dell’acciaio, pur pesando meno della carta o dell’alluminio. È inoltre un eccezionale conduttore di elettricità. Da quando è stato scoperto, poco più di vent’anni fa, viene utilizzato nei powerbank e nelle batterie, nei sensori medici e persino per rendere il cemento più resistente. E dietro l’angolo ci sono molte altre applicazioni pratiche.
Nei telefoni, nei computer portatili e in altri dispositivi elettronici si trovano sottili fogli di grafite usati per disperdere il calore ed evitare il surriscaldamento dei componenti. Quando un apparecchio giunge a fine vita, anche quella grafite fa la stessa fine e diventa rifiuto elettronico. Dal punto di vista chimico, però, resta grafite, e ha tutte le carte in regola per diventare il suo prodigioso cugino: il grafene.
Il problema dei rifiuti elettronici è enorme. Nel 2022 ne sono stati generati circa 62 milioni di tonnellate nel mondo, ma solo il 22,3% è stato raccolto e riciclato in modo documentato. Giustamente l’attenzione è riservata soprattutto ai metalli preziosi, ma i dispositivi elettronici contengono anche materiali meno appariscenti che potrebbero avere una seconda vita. Potrebbe essere il caso dei dissipatori di calore in grafite? La grafite è in pratica un gran numero di fogli di carbonio impilati uno sull’altro, come un mazzo di carte. Questi fogli sono generalmente spessi un solo atomo. Ogni singolo foglio di carbonio è grafene.
La sfida consiste nel separare quei fogli senza distruggerli. Abbiamo utilizzato un procedimento messo a punto in Irlanda, l’”esfoliazione in fase liquida”: abbiamo immerso la grafite in un liquido e fornito energia sufficiente a rompere gli strati impilati. Da questa forma liquida, il grafene può essere trasformato in rivestimenti, inchiostri, membrane e materiali compositi, con molte altre potenziali applicazioni.
Una soluzione a basso contenuto tecnologico
Anziché un processore sofisticato, abbiamo preso un semplice frullatore, e per rimuovere i grumi non completamente disgregati abbiamo usato un colino da cucina. Produrre grafene, però, è solo una parte del problema. Perché una volta separati, i fogli hanno la fastidiosa tendenza a riattaccarsi tra loro.
Nei laboratori di ricerca in genere si evita questo effetto usando solventi particolari o sostanze stabilizzanti. Noi ci siamo chiesti se della semplice acqua di rubinetto e carta di giornale potessero svolgere in parte questa funzione. Il materiale ricavato dal giornale ha agito da barriera temporanea tra i fogli di grafene appena separati.
Il giornale è ricco di cellulosa, di cui sono costituite le fibre vegetali. Abbiamo ammorbidito dei vecchi giornali con l’acqua del rubinetto, frullandoli fino a ottenere un liquido ricco di fibre. Quando la grafite veniva lavorata in questa miscela, il materiale derivato dal giornale fungeva da barriera temporanea tra i fogli di grafene appena separati.
Non era una soluzione perfetta, ma non era questo l’obiettivo. Senza il materiale ricavato dal giornale, la sostanza lavorata si depositava sul fondo del contenitore d’acqua nel giro di pochi minuti. Con quel materiale, invece, la soluzione restava utilizzabile per diverse ore e poteva essere facilmente rimescolata agitandola. Il risultato era comunque grafene.
Naturalmente, un liquido nero uscito da un frullatore non è di per sé una prova. Per confermare cosa avessimo effettivamente ottenuto è stata comunque necessaria una sofisticata apparecchiatura della Dublin City University. Ma per produrlo davvero, non è servito quasi nulla di quella sofisticata apparecchiatura: ed è forse questa la parte più interessante della storia.
Produrre grafene in modo semplice
In un lavoro precedente avevamo dimostrato che il grafene può essere ottenuto con mine di matita, acqua di rubinetto, sapone, elettrodomestici da cucina e persino filtri per il caffè. Quel lavoro si chiedeva se le nanoscienze debbano essere praticate solo in un laboratorio specialistico e costoso. Qui abbiamo fatto un passo ulteriore: anche gli ingredienti possono provenire da materiali di scarto?
In un’università ben attrezzata è facile dare per scontati prodotti chimici specialistici, acqua purificata e strumentazione costosa. Ma i gruppi di ricerca nei paesi a basso reddito possono trovarsi ad affrontare bilanci più ristretti, catene di approvvigionamento difficili e lunghe attese per i materiali specialistici. Le scuole e i progetti di scienza partecipativa devono affrontare una barriera ancora più grande: anche solo iniziare può essere costoso.
Il nostro approccio ribalta il problema. Invece di chiederci quanto sofisticata possa diventare la produzione di grafene, ci siamo chiesti quanta sofisticazione potessimo togliere prima che il procedimento smettesse di funzionare. Gli ingredienti non sono esotici: giornali, acqua di rubinetto e grafite si trovano già in quasi tutte le case.
Per la maggior parte degli esperimenti abbiamo usato una versione commerciale del materiale in grafite per la dissipazione del calore, perché un singolo telefono ne contiene pochissima. Ma abbiamo anche smontato un telefono cellulare dismesso e recuperato parte della sua grafite. Non ce n’era abbastanza per uno studio completo, ma quanto basta per dimostrare che anche il materiale prelevato direttamente da un rifiuto elettronico reale può essere scomposto in fogli di carbonio molto sottili.
Questo apre un modo diverso di pensare a dove si possa fare della buona ricerca. Una scuola, un laboratorio poco attrezzato o un piccolo gruppo di ricerca potrebbero potenzialmente occuparsi in loco della lavorazione, per poi collaborare con un’università o una struttura condivisa quando servono misurazioni avanzate. L’apparecchiatura costosa diventa uno strumento per verificare il risultato, non più il prezzo d’ingresso per poter fare l’esperimento.
Il punto, quindi, non è aver trovato il miglior metodo al mondo per produrre grafene. Di certo non è così. Un telefono dismesso, il giornale di ieri, acqua di rubinetto e un frullatore non sostituiranno una fabbrica di grafene. Ma potrebbero rendere la ricerca su questo materiale un po’ meno esclusiva, offrendo nel contempo a due comuni rifiuti una seconda possibilità.
C’è dell’ironia in tutto questo: ci è servita un’apparecchiatura scientifica sofisticata per dimostrare di aver ottenuto grafene, ma produrlo è stata, in realtà, la parte più accessibile.
Articolo tradotto da The Conversation
L’autore, Conor Boland , è Assistant Professor of Materials Science, Deputy Director of Innovation del RAPID Institute, Dublin City University
