La produzione eco-compatibile e a basso costo di grafene di qualità mediante il solvente più diffuso ed economico, l’acqua, è oggi possibile. Lo dimostra uno studio pubblicato su Nature Chemistry condotto da un team italo-francese che ha coinvolto Imm-Cnr.
Messo a punto un metodo innovativo per produrre grandi quantità di grafene a singolo strato che prevede l’uso di acqua degassata al posto dei tensioattivi per impedire l’aggregazione dei fiocchi di grafene. Oltre a dare grafene di ottima qualità, la tecnica ha il vantaggio di utilizzare acqua senza additivi ed è quindi altamente bio-compatibile. Il risultato è stato ottenuto dai ricercatori dell’Istituto per la Microelettronica e Microsistemi del Consiglio Nazionale di Ricerca (Imm-Cnr) di Bologna, in collaborazione con il CNRS, l’Università di Bordeaux e l’Università di Montpellier. I risultati sono pubblicati su Nature Chemistry.
“La bellezza del nuovo metodo è nella sua semplicità”, spiega Vittorio Morandi ricercatore Imm-Cnr, “Per ottenere una dispersione stabile di grafene a singolo strato in acqua siamo partiti dalla grafite che è stata esfoliata in atmosfera inerte in tetraidrofurano (THF), un solvente organico, fino ad ottenere i singoli strati di grafene.” “La soluzione così ottenuta, detta grafenide, viene fatta ossidare e poi trasferita in acqua degassata. L’assenza dei gas nell’acqua evita che i singoli strati di grafene si aggreghino in fiocchi e precipitino, lasciandoli al contrario finemente dispersi in soluzione”, continua Morandi. “Infine, per migliorare la stabilità della dispersione il THF viene eliminato per evaporazione”.
Il nuovo metodo ha il vantaggio di dare un prodotto stabile ed esente dai fenomeni di degradazione del grafene che altre tecniche causavano. Non ci sono evidenze di aggregazione nemmeno dopo diversi mesi di conservazione a temperatura ambiente, come confermano le analisi spettroscopiche che indicano chiaramente la persistenza di grafene in singolo strato, la forma più pregiata di questo materiale. Il nuovo metodo consente inoltre di avere un ottimo rapporto tra la qualità del grafene ottenuto e la quantità di risorse impiegate, evitando l’uso di sostanze surfattanti, come i tensioattivi poco bio-compatibili, nel prodotto finale.
La fiala a sinistra contiene una miscela di grafene in THF dopo l’aggiunta di acqua non degassata. La dispersione acquosa non è stabile e in pochi minuti si formano aggregati ben visibili. La fiala a destra contiene una dispersione stabile di grafene in acqua degassata dopo evaporazione di THF. Anche dopo diversi mesi di stoccaggio a temperatura ambiente non si osservano evidenze di aggregazione.
“La sfida che abbiamo affrontato sembrava impossibile, un po’ come disperdere in modo stabile delle gocce d’olio in acqua”, spiega Luca Ortolani di Imm-Cnr. “Con questo metodo sarà più semplice per le industrie integrare in maniera eco-compatibile il grafene in nuovi materiali come vernici e compositi plastici, conferendo le straordinarie proprietà di resistenza meccanica e di conducibilità termica ed elettrica del grafene al materiale finale”. “Sul versante ricerca invece”, conclude Ortolani, “sarà interessante verificare questo metodo per la produzione di altri materiali bidimensionali”.
Video: Il video mostra l’ossidazione del grafenide disciolto in tetraidrofurano dopo l’esposizione all’aria. La formazione di grafene provoca un oscuramento visibile della soluzione.
Riferimenti: Surfactant-free single-layer graphene in water.George Bepete, Eric Anglaret, Luca Ortolani, Vittorio Morandi, Kai Huang, Alain Pénicaud & Carlos Drummon, Nature Chemistry DOI: 10.1038/NCHEM.2669
Testo prodotto in collaborazione con il Master in Giornalismo e comunicazione istituzionale della scienza dell’Università di Ferrara