Grafene, cosa sa fare davvero fuori dal laboratorio

Il grafene viene presentato da anni come il materiale che cambierà tutto, edilizia compresa. Dietro l’entusiasmo ci sono proprietà fisiche misurate e straordinarie, e insieme una distanza ancora ampia fra il laboratorio e il cantiere. Vediamo che cos’è, che cosa sa fare davvero e con quali domande valutare i prodotti che lo dichiarano in etichetta.

Che cos’è il grafene

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti su un reticolo esagonale, una struttura a nido d’ape spessa un solo atomo, circa 0,335 nanometri. È uno degli allotropi del carbonio: gli stessi atomi, organizzati diversamente, danno il diamante (reticolo tridimensionale), i fullereni (gabbie sferiche) e la grafite (fogli di grafene impilati e tenuti insieme da deboli forze di van der Waals).

L’immagine più efficace resta quella dello sfogliare: se si separassero una a una le lamine di un cristallo di grafite si otterrebbero milioni di fogli di grafene. È esattamente ciò che venne fatto la prima volta con del nastro adesivo, un metodo elementare che valse il Nobel per la fisica nel 2010.

Le proprietà misurate

A queste si aggiungono la superficie specifica altissima, dell’ordine di 2600 m2/g, l’impermeabilità pressochè totale anche ai gas più piccoli e una flessibilità elevata. Vanno però letti come valori di laboratorio, misurati su fiocchi monostrato perfetti di pochi micrometri: sono il tetto teorico, non ciò che si ritrova in un materiale composito.

Perché non è ancora ovunque

Il collo di bottiglia è la produzione. L’esfoliazione meccanica dà fiocchi eccellenti ma in quantità irrisorie. La deposizione chimica da fase vapore (CVD) produce film di buona qualità su substrato metallico, con costi che la rendono sostenibile solo per l’elettronica. L’ossido di grafene ridotto, ottenuto per via chimica, è l’unica via davvero scalabile ma restituisce un materiale con difetti reticolari e prestazioni molto inferiori a quelle teoriche.

Ne consegue una distinzione che vale la pena tenere a mente quando si legge una scheda tecnica: il grafene monostrato è un prodotto di nicchia; ciò che entra nei materiali da costruzione sono quasi sempre nanoplacchette grafeniche (GNP) o ossido di grafene, cioè aggregati di poche decine di strati. Sono comunque utili, ma le prestazioni non vanno confuse.

Le applicazioni in edilizia

• Calcestruzzo additivato: dosaggi bassissimi, dell’ordine di frazioni di punto percentuale sul cemento, che migliorano resistenza a compressione e a flessione e riducono la permeabilità, con effetti indiretti sulla durabilità e sulla quantità di cemento necessaria.
• Pitture e rivestimenti: le nanoplacchette creano un percorso tortuoso che ostacola il passaggio di acqua e gas, migliorando l’effetto barriera; alcune formulazioni minerali sfruttano anche la conducibilità termica per uniformare la temperatura superficiale della parete.
• Anticorrosivi per strutture metalliche, con lo stesso principio di barriera.
• Membrane e materiali per l’accumulo di energia, ambito in cui le prestazioni elettrochimiche sono il vero argomento.
• Compositi strutturali leggeri, per ora prevalentemente in ambito aerospaziale e sportivo.

Nel settore delle finiture alcuni produttori di pitture minerali hanno introdotto linee additivate con grafene, presentate come più resistenti alle contaminazioni superficiali e capaci di stabilizzare il microclima interno. L’argomento è plausibile sul piano fisico, ma il beneficio dipende dalla quantità effettivamente presente e dalla sua dispersione nella matrice, informazioni che raramente compaiono nelle comunicazioni commerciali.

Come valutare un prodotto che dichiara grafene

1. Chiedere quale forma è presente: grafene monostrato, nanoplacchette o ossido di grafene ridotto.
2. Chiedere la percentuale in massa e il numero medio di strati: sotto certe soglie l’effetto è trascurabile.
3. Verificare che il vantaggio dichiarato sia misurato su una norma di prodotto, non solo affermato: resistenza al lavaggio, permeabilità al vapore, adesione.
4. Controllare il valore Sd, cioè la resistenza al passaggio del vapore, se il supporto è un intonaco traspirante: un rivestimento troppo chiuso vanifica una stratigrafia progettata per respirare.
5. Confrontare il costo al metro quadro con quello di una soluzione tradizionale che raggiunga lo stesso obiettivo.

Nanomateriali e principio di precauzione

La bioedilizia lavora per sottrazione: meno sostanze, più semplici, con un ciclo di vita noto. I nanomateriali si collocano su un piano diverso, perché il comportamento tossicologico delle nanoparticelle libere, in particolare per via inalatoria, è ancora oggetto di studio. Il rischio non riguarda la superficie finita, dove le particelle sono inglobate nella matrice, ma le fasi di lavorazione: spruzzatura, taglio, carteggiatura, smaltimento. In cantiere questo significa maschere adeguate e ventilazione, come per qualsiasi polvere fine.

Il confronto con i materiali tradizionali resta quindi aperto e va fatto obiettivo per obiettivo. Se il tema è la prestazione termica dell’involucro, i materiali isolanti naturali offrono risposte collaudate e verificabili. Se il tema è la qualità dell’aria interna, le finiture d’interni naturali hanno un profilo di composizione trasparente. Il grafene diventa interessante quando l’obiettivo è specifico e non raggiungibile altrimenti, per esempio la durabilità di una struttura in calcestruzzo, come si vede nel quadro d’insieme sul costruire green in bioedilizia.

In sintesi

Il grafene non è marketing: le sue proprietà sono misurate e notevoli. Ma fra il foglio monostrato di laboratorio e il barattolo in cantiere c’è una catena di compromessi che riduce drasticamente le prestazioni. Trattarlo come un additivo promettente da valutare con dati alla mano, e non come una categoria di prodotto in se’, è l’atteggiamento che evita le delusioni.