Un nuovo materiale rivoluzionario
Mentre gli allotropi del carbonio sp2 e sp3 sono rispettivamente ben conosciuti come grafite e diamante, rimane una lacuna significativa nella scienza del carbonio. «Gli allotropi ibridati sp del carbonio sono il pezzo mancante del puzzle del carbonio», afferma Carlo Casari(si apre in una nuova finestra), fisico del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano(si apre in una nuova finestra) (Polimi). Gli allotropi del carbonio sono forme strutturali diverse dell’elemento carbonio; gli allotropi del carbonio ibridati sp hanno strutture a catena lineare o poliatomica in cui gli atomi di carbonio sono legati da legami tripli e singoli alternati. Secondo l’autore, le recenti scoperte hanno trasformato radicalmente la comprensione di queste strutture sfuggenti. «Gli scienziati non solo hanno scoperto sistemi carbonio sp presenti in natura, ma hanno anche ingegnerizzato con successo nuove strutture, colmando una lacuna critica nei nanomateriali a base di carbonio», spiega. Una di queste scoperte è il grafino amorfo (AGY), un nuovo materiale a base di carbonio sp sviluppato dal progetto SCCAMC(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE.
Una membrana ibrida di carbonio chiamata grafino amorfo
Per arrivare all’AGY, il progetto sostenuto dalle azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra) (MSCA) è partito dalla stabilizzazione del carbonio ibridato sp e dall’esplorazione della sua sintesi e delle sue applicazioni funzionali. Yifan Zhang, borsista MSCA del progetto, ha poi sviluppato metodi chimici e fisici per produrre in modo efficiente fili atomici di carbonio chiamati poliini. «Il carbonio ibridato sp sotto forma di catene o fili rappresenta l’ultima nanostruttura di carbonio unidimensionale con le eccezionali proprietà previste», osserva Casari, ricercatore principale del progetto. Per sintetizzare il poliino, i ricercatori hanno sviluppato un processo modificato di scarica ad arco pulsato in grado di riciclare il solvente, riducendo l’uso di risorse chimiche fino all’80 %. «In particolare, abbiamo utilizzato una tecnica di sintesi interfacciale liquido-liquido a temperatura ambiente che trasforma questi poliini in membrane di carbonio ibrido sp2-sp amorfe e stabili, delle dimensioni di una lastrina di silicio, che abbiamo chiamato grafino amorfo», osserva Zhang. Il progetto ha inoltre dimostrato che il materiale AGY trattato termicamente ha prestazioni elettrocatalitiche e presenta un’attività di reazione di riduzione dell’ossigeno (ORR) come catalizzatore privo di metalli. La ORR è una reazione chimica in cui l’ossigeno guadagna elettroni e viene ridotto, in genere ad acqua o perossido di idrogeno. È un processo critico nei sistemi di conversione dell’energia come le celle a combustibile.
Un catalizzatore privo di metalli per soluzioni energetiche sostenibili
Dimostrando il potenziale di AGY come catalizzatore ORR privo di metalli, il progetto SCCAMC ha contribuito allo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili. Ha inoltre aperto la strada a una cella a combustibile priva di metalli preziosi. «Proprio come il grafene ha rivoluzionato la scienza dei materiali e le nanotecnologie, speriamo che il nostro materiale innovativo, sintetizzato a temperatura ambiente, trovi spazio nei laboratori e nelle applicazioni di tutto il mondo, rivoluzionando infine l’elettronica flessibile, i sensori avanzati e i catalizzatori verdi», conclude Zhang.
