Scoperta da una macchia di matita, il grafene potrebbe essere il nuovo super materiale che trasforma l'industria delle biciclette?
A prima vista, il grafene è un materiale semplice. È un singolo strato di atomi di carbonio spesso 0,3 nanometri, un milione di volte più sottile della carta di questa rivista. Eppure è 150 volte più resistente dell'acciaio e il 20% più elastico. Conduce l'elettricità meglio del rame o dell'oro, a una velocità di un milione di metri al secondo. Diffonde rapidamente il calore. È trasparente e totalmente impermeabile e dovrebbe avere lo stesso impatto nel 21° secolo che la fibra di carbonio ha avuto nel 20° e l'acciaio nel 19°. Non c'è da stupirsi che i due scienziati dei materiali dell'Università di Manchester che l'hanno scoperto nel 2003, Andre Geim e Konstantin Novoselov, siano stati rapidamente portati al premio Nobel e al cavalierato. Ma cosa c'entra questo con le biciclette?
I primi ad adottare Graphene
I primi prodotti per il ciclismo contenenti grafene stanno iniziando ad arrivare sul mercato. Vittoria usa il grafene nei suoi ultimi cerchi in carbonio Qurano (vedi p.20) e anche Catlike lo usa nel suo casco Mixino top di gamma. Il costruttore di telai in carbonio personalizzato Richard Craddock di Craddock Cycles afferma: C'è molta eccitazione per il grafene in questo momento, ma queste sono solo le prime incursioni. Come ogni nuovo materiale, il suo pieno potenziale non è ancora noto, ma è molto probabile che il massimo beneficio non sia un sostituto del carbonio ma un miglioramento. Lo userei quando sarà provato.'
Paul Wiper, ricercatore associato presso il National Graphene Institute dell'Università di Manchester, afferma: Il grafene può migliorare le proprietà meccaniche di un composito, poiché può condividere la deformazione quando viene aggiunto alla matrice di resina epossidica e renderla più rigida. Devi trovare il giusto equilibrio, però. Molto grafene, diciamo il 10 o il 20% della matrice, lo renderebbe davvero rigido ma sarebbe anche fragile.'
I suoi colleghi stanno attualmente perfezionando l'uso del grafene nei telai compositi per il settore aerospaziale e la casa automobilistica spagnola Spania lo include già nel suo telaio per supercar GTA. Quindi i telai per biciclette potrebbero essere i prossimi? "Non c'è alcun motivo per cui non possa essere utilizzato nei telai delle biciclette e sono sicuro che qualcuno ci sta già lavorando", prevede Wiper. Vittoria ha una tale fiducia nel grafene, ha messo i suoi soldi dove sta la sua bocca. "Mi è capitato di cenare cinque anni fa con il fondatore di Directa Plus, una delle prime fabbriche di grafene in Europa, e mi è venuta l'idea di utilizzare il grafene nei nostri prodotti", afferma il presidente di Vittoria Rudie Campagne. 'Poi abbiamo deciso di investire in loro, per essere all'avanguardia.'
Vittoria afferma che l'utilizzo del grafene nelle nuove ruote in carbonio Qurano ha aumentato la resistenza ai fori dei raggi e la rigidità laterale del cerchio fino al 30%. Ma soprattutto, afferma con entusiasmo Campagne, "La migliore dissipazione del calore del grafene riduce la temperatura accumulata del cerchio [in frenata], mantenendola ben al di sotto della soglia in cui la fibra di carbonio inizierebbe a disintegrarsi.'
Aggiungere grafene al carbonio non è così semplice come aggiungere zucchero al caffè, però. Directa Plus fornisce grafene a Vittoria sotto forma di "nano-piastrine", che hanno uno spessore di appena tre o sette atomi. "La grande sfida era ottenere una dispersione quasi perfetta del grafene nel master batch di resina epossidica per i fogli di carbonio preimpregnati", afferma Campagne.
Slice di ispirazione
"Per decenni la gente aveva ipotizzato che il grafene esistesse all'interno di allotropi di materiali di carbonio come grafite, carbone e diamante, ma nessuno sapeva come renderlo un unico strato bidimensionale", afferma Wiper. In un momento ispirato, Geim e Novoselov avevano iniziato con una macchia di grafite cristallina – in effetti un segno a matita – che è composta da più strati sovrapposti di grafene, e usando del nastro adesivo hanno rimosso parte della grafite. Essendo curiosi, lo hanno fatto ancora e ancora, fino a quando alla fine hanno isolato un singolo strato: puro grafene. Poi l'hanno testato.
"Di solito, quando si fanno materiali sempre più sottili, le loro proprietà si deteriorano", afferma lo stesso Geim. 'Ma con il grafene abbiamo scoperto che le cose sono solo migliorate.'
I laboratori di tutto il mondo ora producono grafene in molti modi, con purezza diverse, dimensioni del campione e quantità di lotto variabili. Ad esempio, Catlike afferma di utilizzare nano-fibre per mantenere la resistenza dei suoi caschi Mixino, che ora sono 10 g più leggeri rispetto ai modelli precedenti. Altri lo usano sotto forma di nano-nastri e Samsung e Sony affermano di aver inventato modi per creare fogli continui. Ciò che forse sorprende, però, è che non è eccessivamente costoso. Puoi acquistare un chilo di nano-piastrine per meno di £ 150. Man mano che vengono create più versioni del materiale, è certo che l'uso della parola "grafene" nel materiale di marketing creerà confusione per i consumatori. Sarà difficile accertare se un prodotto che afferma di essere "potenziato con grafene" contiene davvero il materiale sub-microscopico o se sta facendo del bene. È una scappatoia che i senza scrupoli potrebbero sfruttare.
"Un laboratorio potrebbe testare il materiale per vedere se si comporta come affermato, ma dovresti fare un test chimico per assicurarti che sia presente il grafene", dice Wiper. E poiché il grafene esiste nella maggior parte delle forme di carbonio, persino nella polvere di carbone, potrebbe essere l'inferno di Trades Description Act. Ma nelle mani giuste, la sua promessa per l'industria del ciclismo è vasta. I potenziali usi del grafene includono la prevenzione della corrosione su parti esposte come cerchi, corone e raggi o, se incorporate in componenti di carbonio, le nanofibre di grafene potrebbero condurre elettricità o addirittura trasferire dati. Ciò ridurrebbe il cablaggio per il cambio elettronico e i computer da bicicletta. In alternativa potrebbe formare estensimetri in mozzi in carbonio, pedivelle, pedali, corone o suole di scarpe, dove le sue nanofibre ridurrebbero la complessità e potenzialmente ridurrebbero il prezzo dei misuratori di potenza.
I nano-diamanti sono già stati rivestiti con grafene per creare super-lubrificanti, che potrebbero eliminare quasi tutto l'attrito dai cuscinetti, e LED super luminosi e potenziati con grafene sono promessi non appena l'anno prossimo. Un supercondensatore al grafene può potenzialmente immagazzinare più energia di qualsiasi batteria esistente, quindi sarebbero possibili anche componenti elettronici del cambio sostanzialmente più leggeri. Inoltre, sono in corso anche prove di incorporamento di elettrodi di grafene nelle fibre di polipropilene, quindi c'è anche un potenziale per l'inclusione futura negli indumenti. È ipotetico in questa fase, ma potrebbe esserci un momento in cui la maglia e i pantaloncini diventano intelligenti, rilevando la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna, la temperatura, il tasso di sudorazione e persino l'attività dei singoli muscoli. Sembra davvero che i suoi usi e benefici abbiano pochi limiti.
"Il grafene è ovviamente così nuovo che le sue applicazioni stanno appena iniziando a essere studiate", afferma Campagne. “Ci vorranno molti anni di studio fondamentale e applicato per trovare nuovi grandi miglioramenti di prodotti esistenti o nuove applicazioni e perfezionamenti. Il viaggio è solo all'inizio.'
