La stampa funzionale: il grafene

Piccole realtà trovano grandi soluzioni, in grado di cambiare stili e modi per affrontare le complessità. C’è un materiale che suscita molto interesse in svariati ambiti merceologici ed è l’oggetto del desiderio di parecchi ricercatori che ne intuiscono le enormi potenzialità e si stanno ingegnando per trovare applicazioni di valenza industriale significativa: il grafene, o graphene.

Il grafene non è una novità in senso assoluto. La sua scoperta risale al 2004 a opera di due fisici russi dell’Università inglese di Manchester Andrej Gejm e Konstantin Novoselov. Ma la cosa impressionante fu che la scoperta avveniva dopo che per 70 anni i fisici avevano dibattuto e si erano convinti che un materiale come il grafene non avrebbe avuto la stabilità termodinamica sufficiente per esistere all’aria. La novità presentata dai due fisici ai big player della chimica suscitò molto interesse, ma poca applicabilità nell’immediato, quindi i due ricercatori tentarono di brevettare la scoperta in proprio, ma capirono subito che sarebbe stato impossibile mantenere il brevetto senza il rischio di venir bloccati nello sviluppo, dall’azione di contrasto e ostruzione che le multinazionali avrebbero messo in atto, rendendo di fatto impossibile ai due l’avanzamento della ricerca, fino alla fase applicativa. Decisero quindi di pubblicare lo studio, rendendolo di dominio pubblico, per svincolarlo dalla possibilità che venisse brevettato. Una nobile decisione che ha probabilmente impedito loro di arricchirsi con la scoperta, ma gli è valsa nel 2010, il premio Nobel per la fisica.

Che cos’è il grafene

Chimicamente il grafene è carbonio puro, il nome ci ricorda la grafite, e in effetti rappresenta l’unità fondamentale del comune minerale utilizzato nelle matite. La desinenza -ene ci dice che la sua struttura molecolare richiama l’anello a sei atomi (esagono) del benzene. In pratica il grafene è uno strato di atomi di carbonio legati tra loro e che mantengono la struttura esagonale del benzene; il risultato è un foglio con la struttura a nido d’ape, che è la struttura base (bidimensionale) che costituisce la grafite. Stiamo parlando di dimensioni nanometriche, tanto che se lo confrontiamo con lo spessore di un capello (circa 80.000 nm), il valore del grafene è soli 0,35 nm!

Partendo dalla grafite e pensando a una struttura come la pasta sfoglia, in cui i diversi strati sono sovrapposti, se riusciamo a sfogliare i singoli strati fino ad arrivare a foglietti costituiti da uno spessore dato dal singolo atomo di carbonio, ecco che abbiamo ottenuto il grafene.

Con questa struttura molecolare, il grafene acquisisce delle proprietà veramente straordinarie:

• è più resistente del migliore acciaio: 130.000 contro 400 MPa (megaPascal)
• ha un’elasticità migliore dell’acciaio: 1.000 contro 200 GPa (gigaPascal)
• ha una conducibilità elettrica e termica altissima migliore di quelle del rame
• ha un’elevata area superficiale: 2.600 m2/g
• è funzionalizzabile chimicamente

Per avere un’idea di alcune proprietà si pensi che con solo 3 grammi di grafene si può coprire un intero campo di calcio! Oppure un foglio di grafene potrebbe sostenere il peso di un elefante senza rompersi. Incredibile non è vero?

Campi applicativi

Vi sono innumerevoli campi applicativi in cui il grafene sta cercando di entrare per apportare i benefici delle sue proprietà, che coinvolgono anche il campo della stampa.

• Sostituzione dell’ITO. L’ossido di Indio Stagno (più precisamente l’ossido di Indio drogato con stagno) è un componente molto usato per la realizzazione di schermi semitrasparenti conduttivi, tipici dei pannelli a cristalli liquidi, dell’inchiostro elettronico, degli schermi tattili (touchscreen). A causa dell’alto costo e scarsa disponibilità di Indio, della fragilità e mancanza di elasticità degli strati di ITO, il grafene rappresenta un promettente sostituto.
• Realizzazione di film per schermatura elettromagnetica (EMI e RFI). I componenti elettronici (schede e simili) devono essere imballati con materiali che li proteggano da campi elettrostatici ed elettromagnetici. Attualmente in questi imballaggi plastici vi sono dei componenti che li rendono conduttivi allo scopo di isolare elettricamente l’interno dell’involucro. Ciò è ottenuto con l’ausilio di componenti metallici quali alluminio e altri metalli, che rendono l’imballaggio costoso e non facilmente riciclabile. L’impiego del grafene potrebbe risolvere tutte queste limitazioni.
• Inchiostri conduttivi. Per il mercato delle tecnologie indossabili per esempio, oppure della stampa a dato variabile applicata alla comunicazione visiva, per la microelettronica.
• Batterie ad alta capacità. Per esempio per il mercato delle tecnologie indossabili.

Ma anche materiali compositi ad alta conduttività e prestazioni meccaniche; trasporto ecologico di principi attivi; sensori e microelettronica; uso in transistor e microprocessori.
Sono veramente ad ampio spettro le possibili applicazioni di questo materiale, che grazie alle sue proprietà estreme, si presta a molteplici sperimentazioni. Per avere un’idea di come sia in fermento la ricerca attorno al grafene si può dare un’occhiata a questi siti informativi (clicca qui e anche qui). A titolo di esempio è di questi giorni la notizia che il colosso cinese delle telecomunicazioni Huawei ha deciso di investire milioni di sterline in un progetto di ricerca condotto dal National Graphene Institute dell’Università di Manchester. Lo studio avrà lo scopo di studiare possibili applicazioni del grafene nel settore dell’Information and Communication Technology.

Ma veniamo alla stampa…

Alla domanda che ci poniamo «Anche nel nostro settore il grafene si può insinuare?» la risposta è tutt’oggi dubitativa: «Forse sì.»

Taga Italia ha dato voce a un progetto di ricerca che una startup di Bologna, GNext, sta portando avanti nel campo applicativo della stampa funzionale. Lo stato dell’arte è rappresentato dalla sperimentazione rivolta alla messa a punto di una nuova tipologia di inchiostri conduttivi, la cui particolare formulazione è la specialità che la società propone, proprietà che lo rendono particolarmente efficace rispetto ad altri composti al grafene concorrenti. Simone Ligi è il responsabile del progetto, in contatto con Taga.
Il grafene della GNext innanzitutto è in sospensione acquosa, non vi sono polveri o sostanze volatili, c’è una bassa quantità di agenti esfolianti e la catena produttiva è improntata alla green chemistry.
Le applicazioni che GNext sta cercando di mettere a punto e per le quali cerca dei partner tecnologici che possano supportarli nella messa a punto dei sistemi produttivi per stampare il grafene, sono di natura diversa. Per ciò che concerne il settore della stampa, molto interessante è l’applicazione su film per ottenere circuiti flessibili, oppure film ricoperti di grafene su PET, PVC, PA, PP, PLA (molto interessante il video dimostrativo visibile sul sito GNext). A proposito di stampa a basso impatto, l’utilizzo dell’inchiostro al grafene su PLA (acido polilattico) produrrebbe un imballo decisamente a impatto zero. Il PLA infatti è il primo polimero a impatto zero rispetto all’emissione di CO2 nell’atmosfera, nasce da fonti rinnovabili e offre agli utilizzatori una valida alternativa ai polimeri derivati dal petrolio, nell’ottica della salvaguardia dell’ambiente e della riduzione del gas a effetto serra. Ed essendo biodegradabile, manterrebbe la biodegradabilità anche dopo la stesura dell’inchiostro al grafene. Gli imballaggi così realizzati, data la bassissima quantità di grafene depositata sul film, sufficiente per renderlo conduttivo, ma talmente esiguo da risultare non pesabile, risulterebbero veramente a basso costo e assolutamente ecologici, non contenendo metalli e altri elementi che rendono difficoltoso lo smaltimento e il riciclo.

La sperimentazione tra GNext e Taga-ICR

Per sperimentare l’applicabilità di questo prodotto, nei mesi precedenti Grafitalia, Taga Italia è stata contattata da Simone Ligi di GNext per avere supporto nella sperimentazione della possibilità di stampare l’inchiostro conduttivo con il procedimento rotocalco. Dopo aver tentato, senza successo, con la flessografica, che però non ha fornito risultati paragonabili a quelli ottenuti in laboratorio con la barra Mayer, GNext ha iniziato a indagare intorno alla rotocalco. Come è noto sia in flessografia che in rotocalco si stampa con inchiostri a base acquosa, principalmente su carta, ma anche su film. Ma gli inchiostri standard hanno una viscosità parecchio superiore all’acqua, in virtù dei componenti di cui sono costituiti (pigmenti veicoli e altri additivi), che favoriscono il trasporto e la stesura sul supporto di stampa. Nel caso della formulazione dell’inchiostro conduttivo di GNext, siamo in presenza di una soluzione acquosa per quasi la totalità del volume, quindi con una viscosità praticamente identica all’acqua. La sfida è stata quella di riuscire a stampare l’acqua in rotocalco e stenderla su un film plastico. Per capire meglio bisogna pensare che l’inchiostro conduttivo al grafene è costituito da una miriade di foglietti di grafene dello spessore di un atomo di carbonio che devono toccarsi l’un l’altro per stabilire il contatto elettrico. Più discontinuità tra i foglietti, meno conduttivo risulterà il film. Quindi le difficoltà non sono mancate, come si può intuire. Il partner tecnologico per effettuare le prove di stampabilità, che ha immediatamente accettato la sfida, è ICR SpA di Origgio (VA), perchè il suo manager, Mario Maggioni, è da sempre con lo sguardo puntato all’innovazione, alla sperimentazione e anche alla divulgazione. Una persona con la passione per le arti grafiche e con la rotocalco nel sangue. La sua azienda è tra le maggiori realtà di produzione cilindri dal nostro paese, sicuramente tra le più avanzate tecnologicamente, che ha saputo adattare il proprio ciclo produttivo alle necessità del delicato e difficile mercato della stampa rotocalco per imballaggio e per decorazione. ICR si è prestata per effettuare le prove di stampa con i suoi tiraprove rotocalco, apparecchi che possono simulare il processo di stampa negli aspetti meccanici e fisici fondamentali. Nella prima sessione di test effettuata il risultato non è stato molto confortante. L’inchiostro, estremamente poco viscoso, non permetteva una stesura uniforme, formando rigagnoli visibili sul prodotto lavato e asciugato. Naturalmente questo difetto rendeva inutilizzabile il processo, sia per l’aspetto visivo, ma anche per le proprietà finali del film, la cui conduttività, benché presente, non garantiva perfetta uniformità su tutta la superficie.

Dopo l’analisi dei risultati del primo test, in cui sono state provate varie combinazioni di incisione (profondità e angoli), ciò che è stato suggerito da Taga e ICR a GNext è stata inevitabilmente quella di cercare di innalzare la viscosità dell’inchiostro, cosa semplice a dirsi per un ink normale, ma tutt’altro che facile per uno conduttivo, dove tutto ciò che si aggiunge al grafene, abbassa le prestazioni del prodotto, rendendo vano il tentativo di stendere uno strato sottilissimo di materiale sul film da stampare. Comunque GNext ha apportato alcune correzioni alla formula innalzando per quanto possibile la viscosità e con il nuovo prodotto si è realizzato un secondo test di stampa in ICR che ha dato risultato molto migliore in termini di stesura dell’inchiostro sul film, e sui valori finali di conduttività. Non ancora la perfezione che si ottiene usando la barra Mayer, che resta la tecnologia si stesura più efficace per realizzare film ricoperti semitrasparenti, ma un soddisfacente passo avanti.

In conclusione i test in rotocalco hanno dato risultati positivi, così come i ripetuti test di stampa dei battery tester, che hanno riscosso molto interesse.

Allo stato attuale GNext spinta dall’interesse per il suo inchiostro che giunge anche a livello internazionale, sta lavorando all’utilizzo della stampa rotocalco anche per altre tipologie di prodotto, come le antenne per i chip RFID e per le tastiere a membrana.
La ricerca sta continuando, con Taga Italia disponibile a dare il suo contributo di conoscenze e di contatti con il mondo della stampa. È un progetto affascinante, condotto da un’azienda italiana molto giovane e dinamica, capace di dare lustro alla ricerca del nostro Paese, che nelle piccole realtà spesso trova le grandi soluzioni in grado di cambiare stili e modi per affrontare la complessità di questo mondo.