Il grafene per applicazioni flessibili e indossabili

In una recente intervista Henrik Sandberg, business developer per Graphene Flaghsip nel campo delle applicazioni flessibili e indossabili, ha illustrato la sua visione sullo stato dell’arte e le prossime sfide in questo settore del grafene. Sandberg coordina il gruppo di ricerca in Printable and Hybrid Functionalities presso il VTT Technical Research Centre (Finlandia) dove si occupa di dispositivi elettronici stampati, di fisica dei dispositivi polimerici e di formulazione di inchiostri stampabili e loro integrazione in dispositivi flessibili. Riportiamo l’interessante intervista (qui l’originale), pubblicata sul sito di Graphene Flagship (link all’originale), integrati con i risultati più recenti sviluppati dal Cnr nel campo delle applicazioni del grafene per dispositivi flessibili e indossabili.

D: Qual è l’attuale stato delle applicazioni del grafene in ambito di dispositivi flessibili e indossabili?

Il grafene e altri materiali stratificati sono risultati particolarmente efficaci nella produzione di molti sensori diversi destinati a essere indossati. Sia per La possibilità di poter integrare in blocco i sensori in dispositivi elettronici stampati e senza dover impiegare metalli potenzialmente dannosi per l’ambiente, sia perchè consente sensori chimici estremamente sensibili e molto selettivi. Un materiale ecologico e con una conduttività più elevata di quella della grafite fanno del grafene un materiale particolarmente interessante per le applicazioni a basso costo e su larga scala che non necessitano di elevata conducibilità elettrica. O per applicazioni a basso costo e rispettose dell’ambiente come materiali stampati (poster, pacchi, ecc.) e tessuti con capacità di rilevamento.

Oltre a sensori e conduttori, stanno maturando dispositivi ad alte prestazioni basati sul grafene prodotto tramite deposizione chimica da vapore (CVD), che sono ancora più promettenti ma impiegheranno più tempo a raggiungere il mercato. Per applicazioni indossabili, la flessibilità del grafene – sia CVD cresciuto che fiocchi esfoliati – è una proprietà particolarmente abilitante, poiché il grafene ha dimostrato di essere meno sensibile ai cicli di flessione rispetto alle attuali soluzioni a base di metallo.

Per le applicazioni indossabili in generale, la flessibilità del grafene – sia cresciuto in fiocchi sia per CVD – è una proprietà particolarmente abilitante poichè ha mostrato di resistere ai cicli di piegatura   meglio delle soluzioni metalliche attualmente usate.

D: Quali sfide deve affrontare il grafene per essere integrato nei dispositivi flessibili e indossabili?

Mentre i sensori fisici si possono realizzare usando semplicemente grafene, la maggior parte degli altri sensori richiedono una specifica funzionalizzazione del grafene, una per ogni applicazione. Anche se la produzione di questo tipo di materiali non è ancora matura per l’integrazione in applicazioni commerciali in questi anni si sono fatti molti passi avanti.

L’integrazione di grafene ottenuto mediante CVD in dispositivi flessibili e indossabili con procedimenti già in uso – quali ad esempio i semiconduttori complementari metalli-ossidi (CMOS), necessita di essere ulteriormente sviluppato e acquisito dall’industria, soprattutto in ambiti  dove si produce in serie. Vanno inoltre messi a punto processi affidabili e riproducibili per il trasferimento di grafene, una volta pronto, dal foglio di produzione.

Esistono invece formulazioni a base di grafene che possono essere stampate in modo affidabile e impiegate, ad esempio, per applicazioni che non utilizzano correnti elevate. Ad esempio tutti quegli articoli con bassi costi di produzione e usa-e-getta, o con breve ciclo di vita, per i quali non si avrebbero problemi di riciclaggio, grazie all’elevata compatibilità ambientale del grafene.

D: Quali sono i prodotti flessibili e indossabili, o prototipi di questi, contenenti grafene attualmente disponibili?

L’elettronica indossabile e flessibile, anche non a base di grafene, non è ancora una tecnologia standardizzata, per questo motivo, fatta eccezione per gli smart-watch, non si hanno molte altre applicazioni. Con i materiali stratificati si può puntare a  soluzioni maggiormente discrete e integrate, anche se a si finisce con l’avere prestazioni inferiori. Per applicazioni strutturali, termiche o a ‘scaricamento elettrostatico’ (ESD) esistono già soluzioni e altre sono molto prossime al mercato.

Per le applicazioni in elettronica ci sono ancora problemi di affidabilità e riproducibilità da risolvere, tuttavia l’Europa, con in testa Graphene Flagship, è in prima linea in questo sviluppo.

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Proprio nell’ambito di Graphene Flagship, ricercatori di ISOF-CNR hanno sviluppato un’antenna flessibile, chimicamente stabile e altamente conduttiva, impiegando un materiale laminato di grafene noto come G-paper. Questa invenzione, coperta da brevetto, ha il suo punto di forza nell’elevata compatibilità con svariati chip commerciali, le antenne infatti possono essere realizzate su plastica, carta o stoffa, mostrando buona flessibilità e stabilità chimica. Le antenne in laminato di grafene sono state integrate in prototipi funzionanti per applicazioni tipiche dell’Internet of Things (IoT) quali chiavi elettroniche, tag flessibili, braccialetti in seta NFC, smart card e portafogli intelligenti.

Testo prodotto in collaborazione con il Master in Giornalismo e comunicazione istituzionale della scienza dell’Università di Ferrara

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