Leggero, resistente e ultra piatto: è il grafene il materiale del futuro. Anche in Formula 1

lunedì 9 febbraio 2015 · Esclusive

Motori al plasma, pneumatici con aderenza variabile, materiali a controllo elettronico e… grafene. Nell’arco di 125 anni pare siano gli elementi principali della rivoluzione sulle macchine da competizione, secondo il rapporto che Ian Pearson – matematico, fisico, soprattutto futurologo a tempo pieno – ha elaborato l’anno scorso per conto di Dunlop.

Sembra fantascienza, invece perlomeno il grafene rischia effettivamente e seriamente di soppiantare i materiali tradizionali sulle auto da corsa. I motivi li spiega per F1WEB.it il dottor Francesco Bonaccorso, che sul grafene fa ricerca presso i Graphene Labs dell’Istituto Italiano di Tecnologia.

Cos’è il grafene. È un materiale bidimensionale, è formato da atomi di carbonio disposti con struttura a nido d’ape. Ha uno spessore sottilissimo, nell’ordine di un terzo di miliardesimo di metro, le dimensioni dell’atomo di carbonio.

Come si produce. Principalmente con due approcci opposti, tecnicamente bottom-up e top-down. Nel primo caso il grafene cresce artificialmente su un supporto, il substrato. In quest’ambito la tecnica più sviluppata e investigata è la crescita per deposizione chimica in fase vapore: si usa un substrato metallico, generalmente di rame, come catalizzatore per scomporre idrocarburi. Nel processo top-down invece il grafene si ottiene dall’esfoliazione della grafite. Chiunque può produrre grafene, o almeno poche decine di strati, quando scrive con la matita su un foglio di carta. In modo molto simile, a livello scientifico e tecnologico l’esfoliazione della grafite si effettua fornendo energia meccanica in varie forme. A livello industriale, l’esfoliazione in soluzione, che porta alla realizzazione di inchiostri, è il processo più promettente.

Gli aspetti d’interesse nel motorsport. Il grafene è il materiale più forte esistente in natura, ha proprietà meccaniche superiori a quelle delle fibre di carbonio che si impiegano attualmente nei telai. La resistenza a trazione è circa 20 volte superiore; il modulo di elasticità quasi il doppio. Recenti studi hanno anche dimostrato che a seguito di un impatto il grafene distribuisce la forza meglio di qualsiasi altro materiale. Perciò può consentire di produrre telai più resistenti e anche più leggeri, riducendo la quantità di materiale necessario per realizzare il composito. Inoltre può permettere di fabbricare i telai mediante stampa tridimensionale, con vantaggi di costo, design e performance.

Il costo del grafene. In fase di sviluppo ogni tecnologia ha costi elevati, a volte proibitivi poiché legati principalmente a spese nell’ambito della ricerca. Il grafene non sfugge a questa logica, ma il prezzo dipende anche dalla tecnica di produzione. Ci vogliono circa 50 euro per comprare un centimetro quadrato di grafene prodotto per deposizione chimica in fase vapore. Il costo comunque sta scendendo. Per il grafene prodotto in soluzione invece si passa da una frazione di euro a grammo fino a decine di migliaia di euro. La forbice è enorme, dipende dalla purezza del materiale: più è puro, più costa. Ma sono numeri che non devono ingannare perché per coprire un’area grande quanto un campo di calcio bastano, in principio, poco meno di 6 grammi di grafene. Per le applicazioni in composito non è nemmeno strettamente necessario avere purezza estrema, inoltre la percentuale di grafene per aumentare le proprietà meccaniche della matrice polimerica è alquanto bassa. Per cui complessivamente in questo ambito il costo può essere contenuto già oggi.