L’articolo di Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C .; Chen, W.; Tour, JM (2020) è di particolare rilevanza, in quanto dimostra che la produzione su larga scala di grafene è perfettamente fattibile senza richiedere un alto grado di sofisticazione o particolari procedure chimiche.
Nel loro abstract, i ricercatori rivelano l’oggetto della loro indagine : “Qui mostriamo che il riscaldamento istantaneo in Joule di fonti di carbonio a basso costo, come carbone, coke di petrolio, biochar, nerofumo, cibo scartato, pneumatici in gomma e rifiuti plastici misti, può produrre grandi quantità di grafene su una scala di grammi in meno di un secondo“.
I ricercatori sono stati in grado di produrre grafene di alta qualità in millisecondi con un dispendio energetico ridotto, utilizzando elettrodi e tubi in quarzo, come verrà spiegato in seguito.
Il prodotto denominato Flash Graphene o FG “non richiede l’uso di forno, solventi o gas reattivi. I rendimenti dipendono dal contenuto di carbonio della fonte utilizzata ; quando si utilizza una fonte ad alto contenuto di carbonio, come fuliggine, carbone antracite o coke calcinato, si ottengono rendimenti dall’80 al 90% con una purezza del carbonio superiore al 99%“.
I ricercatori hanno analizzato i campioni di grafene con la spettroscopia Raman, ottenendo “una banda D a bassa intensità o assente per il Flash Graphene, indicando che il Flash Graphene ha una delle concentrazioni di difetti più basse riportate finora per il grafene“.
Fig. 1. : Sintesi di grafene da varie fonti di carbonio. (Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020)
Il processo FJH (Instantaneous Joule Heating, o Flash Joule Heating) consiste nell’incapsulamento compresso (in un sottile tubo di quarzo) del materiale ad alto contenuto di carbonio che deve essere convertito in grafene, il quale viene chiuso in una pila di elettrodi che genera una corrente che aumenta drasticamente la temperatura (3000 K = 2726 °C) in uno scoppio temporaneo (flash), della durata di pochi millisecondi.
Questo processo provoca la cristallizzazione del carbonio nel grafene.
Per quanto riguarda i costi, gli autori indicano che “per la sintesi di FG sono necessari solo 7,2 kilojoule per grammo, il che potrebbe renderlo adatto all’uso in compositi sfusi di plastica, metalli, compensato, cemento e altri materiali da costruzione“.
Per dimostrare la validità del metodo con i rifiuti organici, è stato preso in esame il caso del caffè, che “con il suo 40% di carbonio, garantisce un rendimento basato sul contenuto iniziale di carbonio pari a circa l’85%“.
Questo perché i rifiuti organici contengono principalmente carboidrati, pertanto è probabile che qualsiasi rifiuto organico con un alto contenuto di carboidrati possa essere facilmente utilizzato.
Nonostante ciò, il rendimento migliore è stato riscontrato utilizzando del carbone: “la resa del processo FJH arriva dall’80% al 90% da fonti ad alto contenuto di carbonio come nerofumo, coke calcinato o carbone antracite“.
Altri materiali che possono essere utilizzati a questo scopo sono : “carbone vegetale, biochar, acido umico, cheratina (capelli umani), lignina, saccarosio, amido, corteccia di pino, fuliggine di olio d’oliva, cavolo, cocco, gusci di pistacchio, bucce di patate, pneumatici in gomma e plastica mista, compreso il polietilene tereftalato (PET o PETE), polietilene ad alta o bassa densità, cloruro di polivinile, polipropilene e poliacrilonitrile“.
Per quanto riguarda la qualità del grafene 2D, “si ottimizza regolando la compressione del campione tra gli elettrodi (che influisce sulla conduttività del campione), la tensione del condensatore e la durata della commutazione, al fine di controllare la temperatura e la durata del flash.
Il degasaggio di idrogeno, azoto e ossigeno durante il processo FJH potrebbe contribuire alla formazione di grandi fogli di grafene sottili, impedendo la sovrapposizione degli strati e favorendo una crescita ulteriore“.
Fig. 2. : Prove di fabbricazione del grafene su diversi tipi di tubo, combinazioni di temperatura, compressione e loro risultati. (Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020)
Un’altra proprietà interessante rivelata dallo studio è che l’FG “era disperdibile in una soluzione acqua/tensioattivo per ottenere dispersioni altamente concentrate che raggiungevano i 4 g/l“.
Ciò è stato possibile grazie al metodo FJH, che è efficace nell’esfoliare gli strati di grafene ed è ideale per la produzione di aerogel, idrogel e soluzioni fisiologiche.
Tra le applicazioni della scoperta c’è la possibilità di miscelare il grafene in prodotti da costruzione come cemento o calcestruzzo.
È stato dimostrato che mescolando il cemento con il grafene, la sua resistenza aumenta del 25% rispetto ad altri composti contenenti grafene commerciale.
“Questi miglioramenti sono quasi tre volte maggiori rispetto a quelli di altri composti cemento-grafene riportati con lo stesso carico… Le immagini al microscopio mostrano una distribuzione omogenea di FG nella matrice cementizia“.
Queste proprietà possono essere estese ad altri materiali come i polimeri, ampiamente utilizzati nell’industria, come il polietilenglicole.
Considerazioni finali
I costi di produzione del grafene sfuso di alta qualità sono molto bassi, considerando che può essere sintetizzato a partire da rifiuti organici.
Questo articolo dimostra che la produzione è facile e può essere ampliata facilmente.
La produzione su larga scala di grafene, necessaria per soddisfare la domanda di “vaccini”, sieri, fertilizzanti, prodotti fitosanitari e prodotti per irrorazione ed iniezione di aerosol atmosferici, può quindi essere facilmente soddisfatta senza mai soffrire di alcun problema di carenza.
In assenza di carbone e dei suoi derivati, è possibile utilizzare i rifiuti organici e la plastica, che sono già separati per il riciclaggio in contenitori dai cittadini.
Qualsiasi industria potrebbe facilmente convertirsi alla produzione di grafene, vista la semplicità dei materiali necessari per la sua produzione con il metodo FJH (Flash Joule Heating).
D’altra parte, sembra un business redditizio se si considera che la produzione di 1 tonnellata di grafene potrebbe avere un costo di $350.
Per farsi un’idea dei benefici che l’industria ottiene con la produzione di grafene, è sufficiente consultare i dati di vendita del grafene sfuso, che si attesta a $0,95/grammo per ordini superiori a 25 kg.
Ciò significa che per ogni tonnellata venduta si otterrebbe un utile netto di circa $740.000 euro, al netto dei costi di logistica, trasporto/distribuzione, acquisto di materie prime per la fabbricazione del grafene, marketing e tasse.
