L’aerogel di grafene è un materiale poroso, ultraleggero e conduttivo che sta rivoluzionando settori come l’energia, l’ambiente e l’elettronica ed è un materiale nanostrutturato tridimensionale che combina la leggerezza estrema degli aerogel tradizionali con le eccezionali proprietà fisico-chimiche del grafene.
La prima produzione dell’aerogel di grafene risale al 2013, quando un team di ricercatori dell’Università di Zhejiang in Cina ha pubblicato uno studio in cui presentava un materiale estremamente leggero e poroso, ottenuto da una soluzione di ossido di grafene.
In quell’occasione, venne realizzato un aerogel di grafene con una densità di soli 0.16 mg/cm³, risultando più leggero dell’aria e capace di galleggiare su di essa in atmosfera ricca di gas elio o argon. Questo lo rese, all’epoca, il solido più leggero mai prodotto, attirando subito l’attenzione della comunità scientifica e dei media internazionali.
Proprietà dell’aerogel di grafene
Questo materiale è composto per oltre il 99.9% da aria e ha un peso trascurabile: un centimetro cubo può pesare meno di 1 milligrammo. Nonostante la sua leggerezza, l’aerogel di grafene mostra una notevole resistenza meccanica, elevata conducibilità elettrica e una capacità straordinaria di assorbire sostanze, rendendolo uno dei materiali più promettenti nella scienza dei materiali avanzati.
L’aerogel di grafene combina le eccezionali proprietà del grafene con una struttura tridimensionale altamente porosa, dando origine a un materiale ultraleggero, flessibile, conduttivo e multifunzionale. Oltre alla bassa densità mostra una porosità superiore al 99%, costituita da pori mesoporosi e macroporosi collegati tra loro. Questa rete tridimensionale offre elevata superficie specifica (fino a 1500 m²/g), bassa conduttività termica, utile in applicazioni isolanti e grande capacità di assorbimento
Nonostante la leggerezza, l’aerogel di grafene conserva ottime proprietà conduttive, con valori che possono raggiungere 10–100 S/m, a seconda del grado di riduzione e del metodo di sintesi. Questo lo rende adatto per elettrodi per supercondensatori, sensori piezoresistivi e dispositivi elettronici flessibili.
A differenza degli aerogel tradizionali spesso fragili, l’aerogel di grafene è elastico, comprimibile e resiliente. Può infatti subire compressioni superiori al 90% e ritornare alla sua forma originaria senza danni, anche dopo molti cicli meccanici.
È chimicamente inerte in molte condizioni ambientali e mostra stabilità fino a 500–600 °C in atmosfera inerte, buona resistenza a solventi, basi e acidi deboli e possibilità di operare in ambienti ossidanti se è stato stabilizzato.
Grazie alla sua superficie elevata e alla struttura porosa, l’aerogel di grafene può assorbire fino a 900 volte il proprio peso in oli o solventi organici, rendendolo ideale per bonifiche ambientali, filtrazione selettiva e sistemi di rilascio controllato.
Tramite funzionalizzazione chimica la superficie dell’aerogel può essere resa idrofoba, utile per l’assorbimento selettivo di oli o solventi organici o idrofila, adatta per applicazioni ambientali come filtrazione e purificazione dell’acqua
Struttura
La struttura dell’aerogel di grafene è alla base delle sue straordinarie proprietà fisico-chimiche. Essa consiste in una rete tridimensionale continua composta da fogli di grafene o grafene ossido ridotto (rGO) preparato mediante la riduzione dell’ossido di grafene impilati, arricciati e interconnessi, che formano una matrice altamente porosa.
La disposizione dei fogli può essere casuale o direzionale, a seconda della tecnica di sintesi utilizzata, e determina le caratteristiche finali del materiale. A livello macroscopico, l’aerogel di grafene assume una struttura simile a una schiuma, detta open-cell, con celle irregolari interconnesse, molto simile alla spugna. Questo consente una elevata resilienza meccanica, ottima capacità di deformazione, ripetibilità delle proprietà dopo numerosi cicli
L’aerogel di grafene presenta strutture in cui si osservano diverse scale di porosità:
Micropori (<2 nm): raramente presenti, ma talvolta visibili nei fogli piegati
Mesopori (2–50 nm): si formano tra i fogli parzialmente sovrapposti e sono predominanti nella struttura
Macropori (>50 nm): cavità e canali creati dalla disposizione casuale e dalla reticolazione dei fogli durante il processo di gelificazione e asciugatura
Questa struttura unica fornisce eccezionali proprietà elettromeccaniche, tra cui un’elevata area superficiale e un’eccellente conduttività.
Sintesi dell’Aerogel di Grafene
La riduzione chimica dell’ossido di grafene è la tecnica è la più utilizzata. Si parte da una dispersione acquosa di ossido di grafene, ottenuto per ossidazione della grafite. A questa sospensione viene aggiunto un agente riducente come acido ascorbico, idrazina o sodio boroidruro che innesca il legame tra i fogli, promuovendo l’autoassemblaggio tridimensionale.
Dopo la formazione del gel, si procede con la rimozione del solvente mediante essiccamento supercritico o freeze-drying, così da preservare la struttura porosa senza collassi.
Il freeze-drying, noto anche come liofilizzazione, è una tecnica di essiccamento usata per rimuovere l’acqua o altri solventi da un materiale, preservandone la struttura tridimensionale. È un processo fondamentale nella produzione di aerogel di grafene, perché consente di asciugare il materiale senza collassarne la porosità.
Il processo avviene in tre fasi principali:
Congelamento (Freezing)
La sospensione contenente ossido di grafene (GO) viene raffreddata rapidamente a temperature molto basse (anche sotto i −50 °C), trasformando l’acqua in ghiaccio solido. Questo passaggio è cruciale perché la forma e la distribuzione dei cristalli di ghiaccio influenzano la porosità finale dell’aerogel.
Sublimazione primaria (Primary drying)
Una volta congelato, il campione viene posto in una camera a vuoto. Qui, il ghiaccio sublima direttamente da solido a vapore senza passare per lo stato liquido, evitando la rottura della fragile struttura porosa formata dai fogli di grafene.
Essiccamento secondario (Secondary drying)
In questa fase viene rimossa l’umidità residua legata chimicamente al materiale, solitamente aumentando leggermente la temperatura sotto vuoto. Si raggiunge così un’aerogel completamente secco, stabile e conservabile.
Il metodo di congelamento e successiva sublimazione è cruciale per mantenere intatta la struttura nanoporosa del materiale. Una volta congelata la sospensione di grafene, l’acqua viene rimossa sotto vuoto, lasciando una struttura asciutta e leggera. Questo processo è particolarmente adatto per aerogel destinati a usi in campo medico o ambientale.
Tecniche di stampa additiva permettono la realizzazione di aerogel di grafene con forme complesse e proprietà su misura, ad esempio gradienti di porosità, geometrie architettoniche personalizzate o combinazioni con altri materiali (es. polimeri conduttivi). Questi aerogel “progettati” stanno aprendo nuove frontiere nella robotica morbida, nella microelettronica e nella bioingegneria.
Applicazioni dell’Aerogel di Grafene
Settore Energetico
Grazie alla sua elevata area superficiale e conduttività, l’aerogel di grafene è impiegato come elettrodo nei supercondensatori, offrendo elevate capacità di carica e scarica rapida. Viene utilizzato anche per elettrodi porosi nelle batterie agli ioni di litio, con performance superiori rispetto a materiali convenzionali. Inoltre, è in fase di studio per lo stoccaggio dell’idrogeno e altri combustibili gassosi, data la sua capacità di adsorbire grandi quantità di gas a bassa pressione.
La leggerezza e la flessibilità dell’aerogel di grafene lo rendono adatto ad applicazioni come dispositivi di accumulo di energia pieghevoli, tecnologia indossabile ed elettronica flessibile
Settore Ambientale
L’aerogel di grafene agisce come spugna selettiva per idrocarburi e oli, rendendolo perfetto per bonifiche ambientali in caso di sversamenti. Inoltre, può essere funzionalizzato per filtrare metalli pesanti, pesticidi e persino batteri dall’acqua, dimostrandosi uno strumento versatile per il trattamento delle acque. Può essere utilizzato nei sensori di gas, essenziali per proteggere l’ambiente atmosferico dagli effetti dell’inquinamento.
I compositi di aerogel di grafene sono assorbenti efficienti per vari inquinanti organici, inorganici e radioattivi grazie alle loro proprietà vantaggiose. Questi compositi aiutano a rilevare gas tossici nell’aria, ioni di metalli pesanti e inquinanti organici oltre alle loro eccezionali proprietà di assorbimento acustico e al comportamento acustico, che li rendono mezzi di abbattimento del rumore nella tecnologia di controllo del rumore
Settore aerospaziale e isolamento Termico
Essendo leggerissimo ma resistente, viene impiegato come isolante termico nei veicoli spaziali e in ambienti estremi. La capacità di mantenere temperature costanti anche in presenza di sbalzi termici notevoli lo rende ideale per l’industria aerospaziale e aeronautica, dove peso e prestazioni termiche sono critici.
La NASA sta utilizzando gli aerogel di grafene per la produzione di tute spaziali più avanzate. Il suo utilizzo nella produzione di abbigliamento sportivo termico è un altro utilizzo rivoluzionario, che ha il potenziale di proteggere chi lo indossa da condizioni ostili estreme, fino a -170 °C.
Elettronica e Sensori
La conduttività elettrica combinata alla flessibilità meccanica permette l’uso dell’aerogel di grafene in sensori di pressione, gas o temperatura. La risposta elettrica rapida a stimoli esterni è sfruttata in dispositivi indossabili, interfacce neurali e circuiti stampati su materiali flessibili.
Biomedicina
Nel settore biomedicale, gli aerogel di grafene possono fungere da scaffold tridimensionali per la rigenerazione tissutale, grazie alla biocompatibilità e alla struttura porosa. Inoltre, la possibilità di caricarli con farmaci e rilasciarli in modo controllato ne fa candidati ideali per drug delivery intelligenti. L’aerogel di grafene ha un’elevata capacità di carico dei farmaci grazie alla sua ampia area superficiale, e la struttura porosa consente un rilascio controllato del farmaco nel tempo. La presenza di grafene lo rende un materiale adatto per medicazioni per ferite, coagulazione del sangue e adsorbimento della bilirubina.
Inoltre, la conduttività del grafene può contribuire alla stimolazione elettrica delle cellule per una migliore rigenerazione tissutale, ed è anche adatto per i biosensori. Inoltre, gli aerogel di grafene mostrano un potenziale significativo nel trattamento delle emorragie traumatiche e possono essere utilizzati come agenti emostatici. Inoltre possono anche essere funzionalizzati con molecole bioattive specifiche per rilevare vari biomarcatori, agenti patogeni o tossine nei campioni biologici