La produzione di grafene è un settore giovane e promettente. È giovane, perché il grafene è stato scoperto piuttosto di recente, solo quindici-sedici anni fa. Ed è promettente grazie alle proprietà interessanti e in qualche modo uniche del grafene.

Cos’è il grafene e perché è interessante?

È stato generalmente accettato da molto tempo che non esistono materiali con un reticolo cristallino bidimensionale. Ma all’inizio degli anni 2000, i fisici britannici Geim e Novoselov iniziarono esperimenti che alla fine culminarono nella scoperta di un cristallo bidimensionale chiamato grafene. Il reticolo del grafene è costituito da atomi di carbonio disposti nel piano sotto forma di una struttura esagonale. Il modello assomiglia esternamente a esagoni interconnessi.

Il grafene è ottenuto dalla grafite. Nel caso più semplice, per produrre il materiale, si può utilizzare uno scotch con la superficie adesiva applicata alla grafite e poi rimossa. Sulla superficie del nastro rimangono piccole particelle di grafite. Successivamente, il nastro viene piegato a metà e allungato in diverse direzioni. Di conseguenza, le particelle residue di grafite diventano più sottili e dopo 10-15 ripetizioni di allungamento funzionano già come grafene.

Perché il grafene è interessante? Prima di tutto, è un materiale molto leggero, ma molto resistente. La resistenza del grafene è 200 volte maggiore di quella dell’acciaio. Può essere allungato del 20%, cosa non possibile con altri cristalli. Inoltre, il grafene è caratterizzato da una buona conduttività elettrica, inerzia chimica ed eccezionale sottigliezza. Difficile da credere, ma bastano pochi grammi di questo materiale per ricoprire completamente un campo di calcio. Tutte le proprietà elencate aprono ottime prospettive per l’utilizzo del grafene in vari settori:

• Microscopia elettronica a trasmissione. Il grafene viene utilizzato come substrato per l’esame di oggetti e campioni.
• Energia solare. Il grafene viene utilizzato nella produzione di rivestimenti conduttivi trasparenti per celle solari.
• Elettronica. Sono noti transistor ad effetto di campo in grafene con un fattore di amplificazione più elevato, nonché circuiti integrati.
• Ecologia. Gli atomi di grafene interagiscono più attivamente con gli atomi di elementi radioattivi, ad esempio, rispetto alle argille bentonitiche.
• Attrezzatura per la misurazione. Il grafene viene utilizzato nella produzione di sensori di deformazione.
• Lubrificanti. Il grafene funge da additivo per i grassi lubrificanti e ne migliora le proprietà.

Tuttavia, attualmente, l’uso diffuso del grafene è limitato dal costo della sua produzione. Perché il grafene è costoso da produrre? Troverai la risposta nella sezione successiva.

Produzione di grafene: esempio di tecnologia

Vengono studiati vari metodi di produzione del grafene. Per una panoramica, in questo articolo discuteremo solo un approccio che è tuttavia molto illustrativo.

Pertanto, per ottenere il grafene, è necessario completare diverse fasi sequenziali:

• Disperdere la grafite in un solvente fino ad ottenere una sospensione.
• Elaborare la sospensione ottenuta in un mulino colloidale.
• Eseguire la centrifugazione della sospensione.
• Eseguire la filtrazione sotto vuoto e l’essiccazione.

Il grafene si ottiene solo al completamento della quarta fase. Come puoi vedere, la produzione del grafene è caratterizzata da più fasi e dall’uso di sostanze chimiche che aumentano notevolmente il costo per ottenere il materiale. È intuitivamente chiaro che per ridurre il costo del grafene è necessario cercare opzioni senza l’utilizzo di agenti chimici e con un numero ridotto di fasi produttive. Il dispositivo a strato di vortice AVSp-150 può essere una soluzione a questo problema.

Come funziona il dispositivo a strato di vortice AVSp-150?

Un tipico dispositivo a strato di vortice è costituito da un induttore, una camera operativa in materiale non magnetico e particelle ferromagnetiche posizionate nella camera operativa (Figura 1).

Figura 1 – Dispositivo con uno strato a vortice di particelle ferromagnetiche: 1 – boccola protettiva; 2 – induttore di campo elettromagnetico rotante; 3 – alloggiamento dell’induttore; 4 – camera operativa in materiale amagnetico; 5 – particelle ferromagnetiche

Applicando tensione all’avvolgimento dell’induttore, nella camera operativa viene indotto un campo elettromagnetico rotante che cattura le particelle ferromagnetiche. Le particelle si muovono lungo traiettorie complesse e si scontrano costantemente tra loro, con il materiale lavorato e con le pareti della camera operativa. Pertanto, la traiettoria di movimento di ogni singola particella ferromagnetica è complessa e una combinazione di queste traiettorie genera uno strato di vortice. In questo caso, nello strato di vortice sorgono diversi fattori che influenzano il materiale lavorato. I fattori più importanti includono:

• effetto di impatto diretto delle particelle ferromagnetiche sul materiale lavorato;
• campo elettromagnetico;
• vibrazioni ultrasoniche;
• cavitazione (durante la lavorazione del materiale in un mezzo liquido, ad esempio acqua);
• alte pressioni locali, ecc.

Se esposti cumulativamente ai fattori di cui sopra, i materiali lavorati vengono macinati, miscelati e assumono nuove proprietà. Ora diamo un’occhiata al modo in cui un dispositivo a strato di vortice può essere utilizzato per la produzione di grafene.

Figura 2 – Dispositivo a strato di vortice AVSp-150

Produzione di grafene utilizzando un dispositivo a strato di vortice

Per la produzione di grafene, si propone di completare solo due fasi anziché quattro. Nella prima fase, la grafite naturale dovrebbe essere macinata alla dimensione della frazione di 1 mm. A questo scopo possono essere utilizzati normali mulini industriali. Nella seconda fase, nella camera operativa del, viene inserita la grafite preliminarmente macinata Dispositivo a strato di vortice AVSp-150. La particolarità di questo modello di dispositivo consiste nel posizionamento orizzontale della camera operativa e nel suo costante movimento progressivo longitudinale. A causa di questo movimento, la grafite viene ulteriormente miscelata e distribuita sul volume della camera operativa, migliorando ulteriormente l’effetto dello strato di vortice. L’elaborazione in AVSp-150 richiede da 5–10 a 30 minuti. All’uscita, otteniamo grafene finito di dimensioni nanometriche (Figura 3).

Figura 3 – Grafene ottenuto mediante il dispositivo a strato di vortice AVSp-150

Vantaggi della tecnologia di produzione del grafene utilizzando un dispositivo a strato di vortice

La produzione di grafene utilizzando dispositivi a strato di vortice presenta i seguenti vantaggi:

• nel processo non è richiesto l’utilizzo di catalizzatori e agenti chimici;
• numero ridotto di fasi di produzione del grafene, accelerazione del processo in termini di tempo;
• la grafite di vario tipo (cristallina densa, cristallina, criptocristallina) può essere utilizzata per la produzione di grafene in un dispositivo a strato di vortice;
• riduzione dei costi di produzione del grafene.

Per ulteriori informazioni potete contattare i nostri professionisti tecnici utilizzando i recapiti presenti nell’apposita sezione del sito.