Sviluppato il primo inchiostro di grafene al mondo: può essere stampato in 3D per ottenere qualsiasi forma, inclusi gli aerogel, ed è privo di additivi

Una nuova scoperta potrebbe sbloccare l’enorme potenziale del grafene per applicazioni industriali e ambientali: un gruppo di ricercatori dell’Università di Waterloo è riuscito a superare le difficoltà di lavorazione del nanomateriale scoperto appena vent’anni fa creando il primo inchiostro al mondo interamente a base di grafene.

L’inchiostro ecologico, destinato alla stampa 3D, può trasferire le eccezionali caratteristiche del grafene all’interno di una struttura altrettanto promettente come quella degli aerogel. L’inchiostro di grafene permette infatti di stampare qualsiasi forma, aprendo la strada ad architetture complesse che possono rivoluzionare le applicazioni mediche e fornire nuove soluzioni alle sfide climatiche e ambientali.

Grafene, il materiale del futuro

Secondo la celebre immagine evocata da Andrej Gejm e Konstantin Novosëlov, cui la scoperta del grafene valse il premio Nobel nel 2010, un foglio di grafene di un metro quadrato sarebbe capace di sostenere il peso di un gatto di 4 chili. Il foglio di Gejm e Novosëlov peserebbe appena 0,7 milligrammi e sarebbe virtualmente trasparente: il grafene, infatti, è un nanomateriale formato da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in forma di reticolo esagonale, a formare una sorta di alveare dalle caratteristiche tecniche straordinarie.

Più forte dell’acciaio e flessibile come la plastica, il grafene è secondo solo al diamante quanto a conduttività termica e secondo studi recenti può essere un semiconduttore addirittura più performante del silicio.

Di solito, però, il grafene viene prodotto in forma di polvere. Ciò lo rende piuttosto difficile da lavorare, e quindi limita di molto le sue possibili applicazioni pratiche, che vanno dall’elettronica di consumo alle strategie di mitigazione ambientale.

I ricercatori dell’Università di Waterloo sono appena riusciti a superare questo ostacolo ingegnerizzando nanofogli di grafene in grado di disperdersi in acqua pur mantenendo la conduttività. Ciò gli ha permesso di creare il primo inchiostro al mondo composto interamente di grafene – un inchiostro destinato alla stampa 3D, ecologico e che si presta sin da subito alla produzione in serie.

Il primo inchiostro al grafene per la stampa in 3D

Per ottenere un inchiostro che fosse stampabile a temperatura ambiente, i ricercatori hanno sviluppato un processo elettrochimico in due fasi: l’intercalazione, che prevede l’inserimento di una molecola nella grafite stratificata, e l’esfoliazione, il processo che consente di ottenere i singoli strati cristallini di grafite.

L’intercalazione, appositamente progettata dagli scienziati, è particolarmente cruciale poiché consente la produzione continua di nanofogli di grafene in acqua, rendendo il nuovo inchiostro al grafene adatto sin da subito alla commercializzazione e alla produzione su larga scala.

Oltre ad essere estremamente versatile, il nuovo inchiostro è anche ecologico: come spiegano gli scienziati, infatti, è privo di additivi e non richiede solventi chimici per la stampa. Come spiega il dottor Milad Kamkar, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica di Waterloo,

“Modellare i materiali grafitici in geometrie complesse per applicazioni avanzate è stata a lungo una sfida che ha limitato la diffusione di questo materiale. Con i nostri metodi possiamo stampare il grafene in 3D in qualsiasi forma, permettendo la la creazione di architetture grafitiche complesse. Questa scoperta supera le precedenti limitazioni e sblocca il pieno potenziale delle strutture grafitiche per applicazioni all’avanguardia”.

Come inchiostro funzionale a base d’acqua, il grafene può essere stampato in 3D per realizzare sensori per smartwatch e fitness band, o per il monitoraggio del glucosio, ma anche per stampare componenti leggere per l’automotive e reti in grado di schermare i campi elettromagnetici, da inserire per esempio nelle pareti degli ospedali per proteggere i pazienti e le apparecchiature sensibili.

Una soluzione innovativa per le sfide industriali e ambientali

Come si legge nello studio pubblicato sulla rivista Journal of Materials Chemistry A, questo approccio innovativo alla produzione di inchiostro di grafene permette la “produzione rapida, continua e su larga scala di materiali leggeri e porosi, evitando la necessità di ricorrere a prodotti chimici riduttori dannosi per l’ambiente o a processi ad alta temperatura”. Inoltre, spiegano i ricercatori, l’eliminazione della fase di riduzione è in linea con le esigenze dell’industria, che chiede processi di fabbricazione efficienti dal punto di vista energetico e alti tassi di produzione.

L’inchiostro di grafene potrebbe essere utilizzato anche nelle batterie, nell’elettronica stampata e nella bonifica ambientale, per esempio per ripulire le fuoriuscite di petrolio negli oceani con strutture porose e super-assorbenti, ma anche per catturare l’anidride carbonica dispersa nell’atmosfera.

“I nostri moderni progressi tecnologici sono arrivati al prezzo di nuove sfide ambientali. Per sopravvivere e affrontare queste sfide dobbiamo sviluppare nuovi materiali più efficaci di quelli attualmente disponibili”,

ha dichiarato Kamkar, che è anche direttore del Multiscale Materials Design Lab di Waterloo.

I prossimi passi dei ricercatori riguarderanno proprio le strategie di salvaguardia dell’ambiente e la mitigazione dei cambiamenti climatici. La ricerca si concentrerà sull’uso dell’inchiostro di grafene in applicazioni avanzate per la bonifica ambientale e nella cattura dell’anidride carbonica.

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