Il materiale delle meraviglie
C’è una ragione se il grafene è stato battezzato il “materiale delle meraviglie”. Le sue applicazioni spaziano dall’elettronica all’energia e persino alle cosiddette “tecnologie verdi”. Peccato che la produzione di grafene sia ancora estremamente costosa: decine di migliaia di euro per un solo chilogrammo rendono impraticabile una sua diffusione su larga scala.
Eppure, sempre più laboratori di ricerca e grandi colossi dell’elettronica stanno puntando gli occhi sul grafene e nessuno ha veramente intenzione di rinunciarci. Ecco perché un gruppo di ricercatori dell’università di Rochester sta studiando un metodo decisamente più economico e sostenibile per produrlo, sfruttando le capacità ingegneristiche dei batteri.
Le “meraviglie” del grafene
Sono stati due scienziati russi, Andre Geim e Kostantin Novoselov, a scoprire il grafene nel 2004. Sei anni dopo, è arrivato il premio Nobel per la fisica. Da allora, migliaia di brevetti e pubblicazioni hanno acceso i riflettori sulle potenzialità di questo materiale, anche grazie allo stanziamento di miliardi di euro per la ricerca in tutto il mondo.
Il grafene è il materiale più sottile e tra i più leggeri che esistano, classificato tra le “nanotecnologie”. È costituito da un monostrato di atomi di carbonio, dello spessore compreso tra 0,1 e 0,5 nanometri (un nanometro è pari a un milionesimo di metro).
A colpire gli scienziati e le aziende sono state le sue proprietà, in particolare la resistenza a temperatura e pH e l’efficienza come conduttore di calore ed elettricità. Le sue applicazioni ci riguardano da vicino, dalle batterie degli smartphone, agli schermi dei congegni elettronici che utilizziamo quotidianamente; dal settore biomedicale a quello ambientale. C’è persino chi ritiene che il grafene potrebbe sostituire il silicio nei processori dei computer, aumentando fino a 1000 volte la loro velocità di calcolo.
Il problema della produzione
Il grafene viene prodotto a partire dalla grafite, il materiale che costituisce la punta delle matite. Ma il processo non è semplice né tantomeno economico.
Figura 1 – la produzione del grafene. Lehner, B.A.E. et al. (2019)
Il metodo tradizionale comprende l’ossidazione della grafite a ossido di grafite, la successiva esfoliazione (ossia la formazione del monostrato), e infine la riduzione a grafene. Per le prime due operazioni, la chimica sintetica costituisce una strategia efficace e anche potenzialmente applicabile su scala industriale.
Più critico è il passo immediatamente successivo, ossia la riduzione dell’ossido di grafite a grafene. Ad oggi, questa reazione necessita di condizioni chimiche estreme, con un grande dispendio di energia e la formazione di composti accessori. Il grafene così ottenuto non è neanche perfettamente bidimensionale e quindi vengono meno molte delle sue proprietà.
La risposta nei batteri
La produzione su larga scala potrebbe passare per un’altra via: non la chimica di sintesi, ma la biotecnologia. È questa l’idea del gruppo coordinato da Anne S. Meyer, biologa all’università di Rochester.
La sua squadra si occupa da tempo di studiare metodi economicamente sostenibili di produrre i materiali del futuro. Metodi che passano attraverso le straordinarie capacità ingegneristiche dei batteri: ne avevamo parlato nel nostro articolo sulla madreperla artificiale, che gli stessi ricercatori avevano sintetizzato in laboratorio usando due batteri, Sporosarcina pausterii e Bacillus licheniformis. Questi e molti altri microrganismi sono infatti naturalmente in grado eseguire di quelle reazioni chimiche così complesse o costose da riprodurre in laboratorio.
Nel caso del grafene, la strategia è sempre di tipo microbiologico. Cambia il batterio, che si chiama Shewanella oneidensis ed entra in scena proprio nello step finale del processo di produzione. È un batterio noto agli scienziati per la sua capacità di ridurre gli ioni metallici e può vivere anche in assenza di ossigeno.
Figura 2 – Cellule di Shewanella oneidensis
Gli esperimenti hanno dimostrato che S. oneidensis è in grado di traformare l’ossido di grafite a grafene, in una maniera più “soft”, riducendo ad esempio la formazione di aggregati.
A confronto col grafene prodotto per via chimica, quello sintetizzato dai batteri presenta le stesse proprietà ma anche alcuni vantaggi, come un maggiore rapporto superficie/volume, un’aumentata stabilità e tempi di conservazione più lunghi. Ma l’aspetto più importante sta nella potenziale scalabilità di questo processo, che per mezzo di bioreattori potrebbe finalmente approdare nelle industrie, ad un costo decisamente accessibile.
Fonte
- Lehner, B.A.E. et al. (2019). Creation of Conductive Graphene Materials by Bacterial Reduction Using Shewanella Oneidensis. ChemistryOPEN
