Nonostante le sue applicazioni entusiasmanti, il grafene non è attualmente ampiamente utilizzato, e il costo è una delle ragioni principali.
Ecco un’analisi dei fattori che influenzano il costo del grafene.
Il grafene ha il potenziale per promuovere progressi in una varietà di settori, dal trasporto alla medicina all’elettronica. Purtroppo, l’alto costo di produzione del grafene ha rallentato la commercializzazione.
I prezzi del grafene sono diminuiti notevolmente nell’ultimo decennio, quando si diceva che costasse decine di migliaia di dollari produrre un pezzo di grafene di alta qualità grande quanto un francobollo.
Tuttavia, il materiale miracoloso del XXI secolo rimane costoso. Dati specifici sui prezzi del grafene sono difficili da ottenere, ma stime relativamente recenti collocano il costo commerciale del grafene in un range da 100 a 400 dollari per grammo. La variazione ampia è principalmente perché il prezzo è congruente con la qualità e non tutte le applicazioni richiedono grafene di altissima qualità.
Il grafene ha molte applicazioni entusiasmanti. In particolare, le sue proprietà sono state applicate ai compositi grafene-polimeri. Insieme, questi materiali a base di carbonio sono efficaci nelle applicazioni energetiche, biomediche, aerospaziali ed elettroniche. Inoltre, il grafene può essere utilizzato per la purificazione dell’acqua grazie alle sue proprietà naturali idrorepellenti.
Altre applicazioni chiave del grafene includono inchiostri conduttivi a base di grafene, che possono essere utilizzati per elettronica stampata in applicazioni come circuiti logici, stampa a getto d’inchiostro, sensori ambientali e abbigliamento intelligente.
Ecco come viene prodotto il grafene e perché il processo di produzione gioca un ruolo chiave nel costo del grafene.
Qual è l’origine del grafene?
La storia dell’origine del grafene è ormai ben nota. Il materiale bidimensionale è stato prodotto per la prima volta nel 2004, quando due professori dell’Università di Manchester hanno usato del nastro adesivo per staccare delle scaglie di grafite da un pezzo di grafite.
La storia dà l’impressione che sia facile fare il grafene, ma non è del tutto vero. Il metodo del nastro adesivo, sebbene un trucco divertente, può produrre solo una quantità molto piccola di grafene, certamente non sufficiente per un uso commerciale.
Come viene prodotto il grafene?
Il metodo del nastro adesivo per fare il grafene è noto come esfoliazione, e ci sono altri modi per creare il grafene tramite grafite esfoliata. Ad esempio, un cuneo di diamante può separare gli strati di grafene.
Ma quali sono alcuni altri modi per fare il grafene? Attualmente, il metodo più popolare è la deposizione chimica da vapore (CVD). Il processo di deposizione coinvolge una miscela di gas che reagisce con una superficie per creare uno strato di grafene. Il processo crea grafene di alta qualità, ma il grafene è spesso danneggiato quando arriva il momento di staccarlo dal substrato.
Esaminando il processo più approfonditamente, Graphenea afferma che un altro problema del CVD è che è difficile creare uno strato di grafene totalmente uniforme su un substrato. Graphenea afferma anche che molto lavoro è stato fatto per ridurre i problemi con il CVD. Ad esempio, gli scienziati stanno sperimentando il trattamento del substrato prima che avvenga la reazione che crea il grafene. Tuttavia, ci si aspetta che ci vorrà molto tempo per appianare le rughe.
Il Graphene Flagship identifica una serie di altri modi per fare il grafene, inclusa la sintesi chimica diretta; il materiale può anche essere creato mettendo la grafite naturale in soluzione.
Alcune delle ultime innovazioni nella creazione di grafene non coinvolgono l’uso di sostanze chimiche e possono essere condotte all’aria aperta, invece che in vuoto. Un metodo brevettato nel 2017 è in grado di creare quantità maggiori di grafene utilizzando acetilene, ossigeno e una candela di accensione. Sfortunatamente, questo processo crea pezzi non raffinati di materiale e non fogli, il che significa che è necessario spendere più denaro per rendere utilizzabili i pezzi di grafene.
Nel 2021, l’Indian Institute of Technology Patna ha sviluppato un modo per produrre grafene utilizzando un pistola a plasma; è possibile che si dimostri essere un percorso più economico, ma scalabile, per produrre materiale di grafene di alta qualità. Il metodo ha dimostrato di produrre grafene monolitico dell’85 percento delle volte senza sostanze chimiche pericolose o solventi costosi, e le stime mostrano che farlo costa solo circa 1,12 dollari per grammo di grafene.
A metà del 2022, l’azienda chimica CleanGraph ha annunciato il suo processo brevettato per trasformare la grafite in grafene, affermando che è stato sviluppato negli ultimi quattro anni con l’aiuto di partnership con leader di mercato nel settore della costruzione e università di spicco. Questo metodo di produzione di grafene ridurrebbe l’impatto ambientale del 99 percento rispetto alla produzione tradizionale di grafene.
“La grafite espansa è un materiale nanocarbonato a strati, che viene prodotto su scala industriale mediante intercalazione ossidativa ed espansione ad alta temperatura della grafite naturale. CleanGraph è un nuovo processo proprietario per modificare chimicamente la grafite in varie forme di grafene in modo più veloce, più produttivo ed ecologicamente sostenibile”, come afferma l’azienda.
Insieme ai materiali da costruzione, il grafene prodotto con questo metodo può essere utilizzato anche per il riscaldamento, la tecnologia delle batterie e come adsorbente.
Più recentemente, NanoXplore ha presentato un nuovo processo di produzione su larga scala di grafene basato su una tecnologia avanzata di esfoliazione a secco. Ha un costo iniziale più basso rispetto ai metodi di esfoliazione a base di liquidi. Questo nuovo processo di produzione apre anche porte a una miriade di applicazioni, tra cui tubi in plastica, geosintetici, plastica riciclata, calcestruzzo, fluidi di perforazione e schiume isolanti, tra gli altri.
Quali sono i fattori che influenzano il costo del grafene?
Capire come viene prodotto il grafene è cruciale per comprendere il costo del grafene. Questo perché il modo in cui viene prodotto il grafene è collegato a quanto alla fine costa. Per ora, il grafene rimane difficile da produrre su larga scala.
Come per qualsiasi materiale, il costo del grafene è legato alla qualità del grafene. Ad esempio, l’ossido di grafene è economico. Anche se può essere utilizzato per applicazioni avanzate di compositi e biotecnologie, non può essere utilizzato in batterie, schermi touch flessibili e altre applicazioni optoelettroniche avanzate.
Al contrario, il grafene CVD, che offre una qualità sufficiente per quasi tutte le applicazioni del grafene, è prezzato in base al volume di produzione e al costo del trasferimento del grafene dal substrato su cui viene coltivato. Fondamentalmente, ciò significa che l’acquisto di grafene di alta qualità in grandi volumi è più economico che acquistarne una piccola quantità.
Il problema, naturalmente, è che con poche applicazioni commerciali per il grafene ancora disponibili, pochi utenti finali sono interessati ad acquistare il materiale in grandi quantità.
Quale è il futuro della ricerca sul grafene?
Coloro che sono coinvolti nella ricerca sul grafene sperano che alla fine verranno sviluppate più applicazioni commerciali per il materiale, promuovendo progressi che renderanno la produzione di massa del materiale a costi accessibili una realtà.
I prodotti di grafene stanno facendo la loro strada nei dispositivi elettronici di nuova generazione come schermi flessibili e pieghevoli, batterie potenziate e computer veloci.
Il grafene può anche essere utilizzato per creare auto più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante, aerei più veloci e leggeri e vernici che potrebbero porre fine al deterioramento di navi e auto. Nel complesso, non mancano le applicazioni per i prodotti di grafene.
Le impressionanti proprietà del grafene e il fatto che sia fatto di carbonio, molto simile ai corpi umani, lo rendono particolarmente adatto alle biotecnologie, compresi strumenti che possono aiutare i professionisti sanitari a scansionare i segnali biologici di un paziente rapidamente, accuratamente e in sicurezza.
In termini di crescita di mercato, Grand View Research nota: “Lo stadio di crescita del mercato è alto, e il ritmo della crescita del mercato sta accelerando. Il mercato del grafene è caratterizzato da un alto grado di innovazione dovuto a crescenti progressi guidati da fattori come la ricerca e lo sviluppo. Di conseguenza, continuano ad emergere costantemente applicazioni innovative, che disturbano le industrie esistenti e ne creano di nuove.”
La società di ricerca di mercato prevede che il mercato del grafene vedrà un aumento del fatturato a un tasso di crescita annuo composto del 35,1 percento tra il 2024 e il 2030 per raggiungere 1,609 miliardi di dollari USA. Le industrie automobilistica, aerospaziale e medica sono i principali driver della domanda del materiale. Il ruolo del grafene come potente catalizzatore nell’industria chimica è anche previsto contribuire a una maggiore domanda del materiale meraviglioso su scala globale.
