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La guida definitiva sul grafene: cos'è, tutto quello che c'è da sapere, le applicazioni possibili già oggi

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo). Ha la resistenza teorica del diamante e la flessibilità della plastica.
Con un solo atomo di spessore, il grafene è oggi la sostanza più sottile e sexy al mondo. Ha molte proprietà: conduce l'elettricità, è flessibile ed è uno dei materiali più forti conosciuti sul pianeta. Negli ultimi anni la corsa di scienziati e ingegneri per applicare tecnologia a base di grafene a dispositivi elettronici indossabili è stata notevole.
Anche se ad oggi non è ancora stata trovata la sua killer application, il materale scoperto per caso da due ricercatori sta cambiando le regole del mercato globale grazie alla diffusione potenziale negli ambiti più disparati: dalla moda, al design, dalle batterie, alle cosiddette nanotecnologie.
La struttura del grafene è semplice ma praticamente indistruttibile

Cos'è il grafene?

L’allotropo è elemento o composto che può assumere forme diverse e manifestare proprietà fisico-chimiche differenti.
Da un punto di vista scientifico, il grafene è un allotropo costituito da un unico strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale ed è l'elemento strutturale di base di molti altri allotropi di carbonio, come grafite, diamante, carbone, nanotubi di carbonio e fullereni.

In base alla disposizione degli atomi di carbonio, si ottengono differenti materiali con altrettante specificità.  Ad esempio quando gli atomi di carbonio si legano in  una struttura ordinata, si ottiene la grafite, che il minerale utilizzato nella punta delle matite. Se invece la struttura in cui si ordina il carbonio è del tutto ordinata si otterrà il diamante. Di recente è comparso il grafene, che ha sì una struttura ordinata degli atomi ma soltanto 2 dimensioni.

Sottile e trasparente: due proprietà in cui il grafene eccelle.
Potrebbe sembrare un’affermazione esagerata, ma dando una veloce scorsa alle rassegne online di notizie e agli studi scientifici che ha sviluppato, sembra  sempre più certo che questo materiale stia diventando fondamentale all’evoluzione e alla crescita dell’uomo grazie anche alle sue proprietà uniche.

Il grafene già oggi trova numerose applicazioni nel mondo del wellness, delle racchette da tennis ai caschi, dagli sci alle scarpe da ginnastica fino al cibo.

Un getto d’inchiostro a base di grafene, infinitamente sottile, proietterà circuiti su qualsiasi superficie che apre la strada ad applicazioni innovative.

Ma quali sono le proprietà vincenti di questo strabiliante materiale? Come mai sta spopolando in ogni campo di applicazione? Perché la scienza ha sposato il grafene per risolvere problemi un tempo impossibili da risolvere? Quali le attuali applicazioni nel mercato?
La scoperta di questo materiale rivoluzionario è avvenuta ad opera di due fisici inglesi, Andrej Gejm e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester, scoperta che è valsa loro il premio Nobel per la Fisica.

Fra le sue caratteristiche principali che lo rendono estremamente interessante da un punto di vista meccanico: ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica. Ma tante altre sono già state scoperte. Scopriamone alcune.

Proprietà del grafene

Sono tutt’ora in corso ricerche per scoprire le peculiarità di questo materiale straordinario, ma alcune sembrano essere già state documentate dalla scienza.
Ultimamente il grafene viene utilizzato nelle batterie degli smartphone.

Proprietà elettroniche: batterie

E' utilizzato come componente principale di un particolare tipo di batterie. Queste batterie si stanno estendendo in diversi settori, in particolare nella telefonia mobile dove, poco alla volta, stanno sostituendo le batterie al litio.

Proprietà ottiche: fotoassorbente

Sebbene lo spessore sia di un singolo  atomo, il grafene assorbe solo il 2,3% delle radiazioni della luce su tutto lo spettro ottico.

Proprietà  termiche: conduttore di calore

Anche se di per sè il carbonio non conduce il calore la macromolecola di grafene è un ottimo conduttore di calore.
Struttura esagonale delle molecole di grafene

Proprietà meccaniche: semplicemente imbattibile

Il materiale più sottile al mondo, il più trasperente (lascia passare infatti il 97,7% della luce) e il più resistente al mondo. Secondo i suoi scopritori, un singolo foglio di grafene (quindi un foglio alto 1 atomo) largo 1 metro quadro dal peso di 0,7 mg sarebbe potenzialmente capace di sostenere il peso di un gatto di 4 kg ed essere virtualmente invisibile.

Proprietà illuminanti: lampadine

Ricercatori della Columbia Engineering hanno realizzato una lampadina che funziona come una normale lampadina a filamenti di tungsteno, ad incandescenza, ma capace di emettere luce grazie a un filamento incandescente di grafene. Per ottenere questo risultato gli scienziati hanno applicato dei piccoli elettrodi metallici su strisce di grafene invisibili ad occhio nudo. Quando nel circuito passa corrente elettrica, il grafene si riscalda fino a 2500 °C emettendo luce visibile.
Il grafene venne scoperto dalla grafite, materiale alla base della produzione di matite

Grafene nell’abbigliamento e la rivoluzione dell’IoT

La continua ricerca  di materiali performanti, leggeri e intelligenti allo stesso tempo sta spingendo governi ed industrie ad investire somme sempre più ingenti nelle nuove tecnologie per l’abbigliamento, sportivo e non.  In questo campo, stando ad alcuni studi e alle relative applicazioni, il grafene potrebbe essere il materiale eletto alla trasformazione dei capi di abbigliamento in capispalla connessi.
La connettività e il peso che permette  la tecnologia al grafene aiuterà atleti a migliorare le prestazioni di tutti i giorni: dalle scarpe alle giacche a vento, la vera rivoluzione sarà lavorare ad una performance migliore dell’atleta grazie ai dati che si potranno raccogliere in tempo reale, direttamente dal corpo delle persone, grazie – ovviamente – a materiali a base di grafene.
Dai residui lasciati sul nastro adesivo, si riuscì ad isolare l'allotropo del carbonio
Inchiostro speciale con annessi circuiti
In un futuro non troppo distante, quindi, i dispositivi elettronici potranno essere lavati in lavatrice. Ma prima, stampati direttamente sui vestiti, rendendo così l’elettronica totalmente indossabile. Il segreto potrà risiedere negli inchiostri, realizzati  in grafene.
Un getto d’inchiostro infinitamente sottile proietterà circuiti su qualsiasi superficie apre la strada ad applicazioni innovative.

Tra qualche anno molti dispositivi elettronici e i circuiti che saranno stampati direttamente sui capi di abbigliamento, saranno accompagnati da un’etichetta che specifica se possono essere lavati in lavatrice e stirati rendendo effettiva la promessa dell’elettronica indossabile.

Trasparente e illuminante: anche in queste due peculiarità il grafene ottiene risultati straordiari.
Giacche nanotech
Già oggi, ad esempio, una start up inglese sta producendo giacche sportive in grafene, a sottolineare che questo materiale ad alta tecnologia ha di per sé un futuro nella moda e sono possibili già oggi applicazioni che ne esaltano alcune proprietà.

Secondo i produttori, grazie al grafene la giacca offre una perfetta termoregolazione: lasciata al caldo  per un po’ e indossata con il grafene all’interno, è in grado di scaldare il corpo distribuendo calore in maniera uniforme, per un piacevole effetto piumone.

Segno di matita
Ultra-resistant shoes
Non solo giacche: anche  il mondo delle calzature vivrà una rivoluzione grazie alle potenziali applicazioni del grafene. Nel 2018 sono infatti entrate in commercio le prime scarpe da running e trail running con suola in grafene.

La nuova gomma a base di grafene aiuta infatti le calzature ad essere più leggere e più resistenti: studi del national graphene institute dell’università di manchester hanno dimostrato come le suole di gomma infuse col grafene si sono dimostrate del 50% più resistenti rispetto a quelle tradizionali.

Abbigliamento in fibra intelligente
Un team di scienziati dell’Università di Exeter è stato pioniere di una nuova tecnica per creare fibre elettroniche in grafene da incorporare nell’abbigliamento di tutti i giorni.

Grazie ad una una nuova tecnica sono state create fibre in grafene che veicolino tecnologie che possono essere incorporate nella produzione di abbigliamento. Attualmente, l'elettronica indossabile è ottenuta essenzialmente incollando i dispositivi ai tessuti, il che determina rigidità del prodotto e probabili malfunzionamenti.

Il team di ricerca ritiene che  la scoperta potrebbe rivoluzionare la produzione di dispositivi elettronici indossabili permettendo ad esempio un miglior monitoraggio della salute a aiutando con maggior precisione la diagnostica medica anche durante le attività motorie o sportive.

Il grafene nello sport: gomme per biciclette, caschi e racchette da tennis

L’Italia, insieme alla Cina, è all’avanguardia nella produzione in scala di prodotti tecnici d'abbigliamento.

L’azienda monzese Colmar ad esempio ha lanciato nella propria collezione 2018/19 una giacca con inserti in grafene, mentre da diversi anni Vittoria produce tubolari e ruote da corsa per ciclismo in una gomma che comprendono una percentuale di grafene per migliorarne aderenza, velocità e resistenza alle forature. Il grafene agisce come un magnete: infilandosi tra le molecole di gomma, crea di fatto un legame con le stesse e le tiene più unite.

Proprio come negli pneumatici, anche nelle ruoteagisce come magnete integrandosi con il carbonio di cui sono fatte. Essendo estremamente sottile, si stratifica negli spazi che dividono le molecole di carbonio e crea un legame con esse. Ne consegue che le caratteristiche del carbonio in termini di rigidità della ruota, resistenza agli urti, riduzione del peso e dissipazione del calore migliorano esponenzialmente.

Ormai da diversi anni l’industria sportiva del tennis produce racchette con componenti in grafene posizionate in punti strategici per migliorare resistenza, velocità e soprattutto leggerezza.

Dulcis in fundo: grafene edibile

L’ultima scoperta sul grafene è che è facilmente stampabile sui cibi. I ricercatori di due università americane sono riusciti ad incidere circuiti commestibili sulla superficie del cibo, aprendo la strada ad alimenti etichettati che possono aiutarci a tracciare il cibo dalla fattoria alle nostre tavole.
Un tratto in grafite tracciato su una fetta di pane.
Il progetto, che utilizza  un processo indotto dal laser (LIG) che crea una "schiuma fatta di piccole scaglie di grafene reticolato" in grado di trasportare l'elettricità attraverso prodotti ricchi di carbonio come pane, patate e cartone.

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