Investire sul carbonio il materiale del futuro

È la C della vita, perché senza di lui non vi sarebbe vita sulla Terra. Il ciclo del carbonio è infatti il cuore dell’ecosistema terrestre: un ciclo fragile, che oggi patisce l’azione dell’uomo. Di carbonio ve ne sono molti, perché questo elemento, il cui numero atomico è 6, ha differenti allotropi, ossia si presenta sotto diverse forme stabili. Tra gli allotropi più noti vi sono il carbone, la grafite e il diamante: quasi una scala di valore che parte da ciò che sporca per arrivare al simbolo della ricchezza.

Ma è il carbonio che è in sé e per sé fonte di ricchezza, e ha segnato la storia umana. Senza il carbonio i fabbri non avrebbero potuto lavorare i metalli all’alba della civiltà e senza idrocarburi la società contemporanea non esisterebbe. Aggiungendo carbonio al ferro è stato possibile realizzare l’acciaio, fondamento della rivoluzione industriale. E ancora: nelle centrali nucleari le reazioni di fissione sono controllate da barre di carbonio, elemento che in più sta preparando la nuova rivoluzione tecnologica, fondata su nanomateriali come i nanotubi di carbonio o il grafene, considerato il silicio del futuro.

Il carbonio è un elemento che guarda al futuro, ma è anche un atomo che svela il passato, permettendo con il suo isotopo C14 di datare i reperti archeologici. Il carbonio può però essere anche morte. Il monossido di carbonio – gas inodore e incolore – è uno degli agenti più pericolosi, un killer silenzioso che continua a mietere vittime in tante abitazioni a causa di stufe e impianti di riscaldamento non a norma.

E ancora: il biossido di carbonio è uno dei responsabili dell’effetto serra; un fenomeno senza il quale la vita del nostro pianeta sarebbe impossibile, ma che oggi rischia invece di aumentare eccessivamente i livelli energetici dell’atmosfera, modificando in peggio il clima terrestre. Carbonio come vita, ma carbonio come rischio: per questo motivo è necessario continuare a studiare questo elemento, imparando a rispettarlo per le sue enormi potenzialità, ma anche a scoprire come evitare che il suo utilizzo si rivolti un giorno contro la nostra civiltà.

In archeologia e medicina. Quasi il 99% del carbonio presente sulla Terra ha un nucleo formato da sei protoni e altrettanti neutroni. Il C14, uno degli isotopi del carbonio più noti, possiede invece 6 protoni e 8 neutroni nel nucleo ed è radioattivo trasformandosi in azoto 14 attraverso il decadimento beta. Il C14 è uno degli strumenti preferiti dagli archeologi: la sua vita media è di 5.370 anni, ed è possibile, quantificando la sua presenza all’interno di reperti organici anche di 50mila anni fa, effettuare datazioni di estrema precisione.Il C14 è stato al centro del dibattito sull’età della Sindone, avendo fatto risalire l’origine del lenzuolo all’età medioevale.

 Un altro isotopo del carbonio,il C11, ha una vita media di circa 20 minuti, ed è utilizzato assieme ad altre sostanze come l’azoto 13 in strumenti di diagnostica medica di alta tecnologia come la Pet, la tomografia a emissione di positroni.

Scambio vitale.

È il respiro della Terra: il continuo scambio di carbonio che avviene tra gli esseri viventi, l’atmosfera, gli oceani, i sedimenti terrestri come i combustibili fossili, i vulcani o altri fenomeni geologici che mettono in comunicazione l’interno del nostro pianeta con l’atmosfera. Un equilibrio delicato che è anche all’origine dell’effetto serra: il “cappotto” termico che consente alla Terra di non patire gli sbalzi termici che i pianeti privi di atmosfera subiscono, rendendola un luogo perfetto per la vita.
Un equilibrio che oggi si sta alterando: se prima della rivoluzione industriale vi erano 280 parti per milione di nell’atmosfera, oggi siamo arrivati a più di 380. Un dato che rivela come la nostra civiltà sta producendo troppi gas serra, rischiando di aumentare in maniera incontrollata l’energia del l’atmosfera terrestre.
Alla base della chimica organica. Quando il carbonio si combina con l’idrogeno la fantasia non ha confini. Questi due elementi, assieme, danno origine a migliaia di composti organici differenti, perché le molecole possono formare lunghe catene aperte, strutture ad anello chiuse, oppure conformazioni miste. Parlare di idrocarburi vuole dire parlare di petrolio grezzo, la sostanza dalla quale si estraggono la maggior parte degli idrocarburi e che costituisce la linfa vitale della nostra civiltà, ma della quale dovremo imparare a fare a meno. Ma gli idrocarburi sono anche polimeri come la gomma, il polistirolo o il polistirene. Con gli idrocarburi solidi si asfaltano le strade, mentre con quelli gassosi come il metano si riscaldano le case. Impossibile immaginare una nostra giornata senza un incontro con qualche idrocarburo.

Idrocarburi. Pura perfezione. È la forma “perfetta” del carbonio con la sua struttura tetraedrica e la sua elevata durezza che lo rende, anche quando non è puro ed è quindi meno prezioso, uno strumento indispensabile in molte lavorazioni industriali. Si stima che dal 1870 a oggi in tutto il mondo siano stati estratti diamanti da gioiello per circa 5 miliardi di carati, pari a 1.000 tonnellate. Oggi è possibile produrre diamanti sintetici con due tecniche: o ricreando condizioni di pressione e temperatura simili a quelle esistenti nel mantello terrestre, o con la deposizione chimica di vapore.Anche quando è di dimensioni molecolari il diamante vale. Le nanotecnologie hanno infatti reso i nano diamanti uno dei protagonisti di questo nuovo settore scientifico, utilizzandoli in molte applicazioni di fotonica o di computazione quantistica.

Diamante. L’elemento che guarda al futuro.La storia del carbonio non è terminata, e in questi anni sono state scoperte nuove forme allotropiche di questo atomo che promettono interessanti applicazioni tecnologiche.Nel 1985 fu prodotto il fullerene nella forma C60: una molecola simile a un pallone da calcio composta unicamenteda 60 atomi di carboniolegati in 20 esagoni e 12 pentagoni. I fullereni possono però anche essere a forma di ellissoidi o di tubi, come avviene nei nanotubi di carbonio. La scoperta dei fullereni fu una delle pietre miliari delle nanotecnologie dimostrando che era possibile realizzare molecole non esistentiin natura o estremamente rare. Nel 1997 è stata invece sintetizzata per la primavolta la nanoschiuma di carbonio: una struttura molecolare simile all’aerogel di carbonio, ma che non conduce elettricità. Poi è arrivataanche la fibra di carbonio.

Nuovi materiali. Stabile per sempre. Questa forma “povera” del carbonio non serve solamente per le mine delle matite. La grafite è ad esempio un ottimo materiale conduttore ed è utilizzata negli elettrodi delle batterie a zinco-carbonio o in alcuni apparecchi di illuminazione. In campo industriale spesso si sfrutta anche la sua capacità lubrificante.

La grafite può inoltre essere usata per rinforzare il cemento o la plastica, come materiale refrattario nei forni, come ausilio nella produzione dell’acciaio o nei reattori nucleari. Con le fibre di grafite si irrobustiscono i telai delle biciclette. Non il diamante, ma «la grafite è per sempre»: contrariamente alle apparenze, è proprio quest’ultima forma del carbonio la più stabile tra le due.

Ne viene prodotta mediamente 1,1 milioni di tonnellate all’anno e i principali giacimenti si trovano nello Sri Lanka, in Madagascar, Federazione Russa, Corea del Sud, Messico , Slovacchia. In Italia in Val Chisone, provincia di Torino.

Nanotubi per tutto. Cilindro magico. Una delle forme dei fullereni. Sono cilindri composti da un unico o più strati di atomi di carbonio. Dotati di un’eccezionale resistenza meccanica, i nanotubi conducono ottimamente calore ed elettricità. Innumerevoli i loro possibili utilizzi. Nel settore dell’elettronica potranno essere usati per realizzare transistor e memorie, anche di tipo meccanico. In campo chimico potrebbero rivelarsi preziosi per costruire serbatoi per l’idrogeno o filtri per gas tossici e sostanze particolari. Il loro uso è studiato anche nei motori elettrici, negli attuatori polimerici per realizzare muscoli artificiali, nelle batterie di carta o negli elettrodi delle fuel cell. Altri possibili impieghi si trovano nei rinforzi di materiali strutturali per l’edilizia, nell’industria aeronautica, in quella automobilistica o per costruire giubbotti antiproiettile.Screening biologico

Struttura cristallina. La scoperta del grafene è del 2004 e in soli sei anni abbiamo numerosissimi campi di applicazione. Tutto merito delle caratteristiche di questo materiale. «È una struttura perfetta dal punto di vista cristallino – commenta Alberto Diaspro, responsabile dell’unità di nanofisica dell’Iit (Istituto italiano di tecnologia) – funziona a temperatura ambiente senza vincolo di pressione, inoltre le ridotte dimensione dell’elemento attivo gli consentono di sopportare stress meccanici». A Genova stanno impiegando il grafene come materiale di screening biologico. «In pratica – spiega il professore – operiamo dei buchi nella struttura del grafene. Grazie alle caratteristiche di conduzione del materiale si presta a essere un ottimo strumento di analisi. Ad esempio, studiamo il sequenziamento del Dna. Lavoriamo anche e sopratutto con le proteine. Per ora sta reagendo benissimo». Il limite? «Non conduce sull’asse x, non è isolante nella terza dimensione. Per intenderci va benissimo per i chip e per le strutture in 2D.
Se si ragiona anche con l’asse x – aggiunge – c’è una categoria di isolanti topologici inorganici che stiamo studiando e che hanno migliori performance.
Fibra di carbonio. Leggerezza e robustezza sono le doti per le quali la fibra di carbonio è usata anche “su strada”, dalla Formula Uno alle supercar di serie che usano solo qualche particolare per abbattere le masse e ottenere prestazioni da record anche in termini di consumi. La fibra di carbonio è nel futuro dell’auto. Al salone di Parigi, Lamborghini ha svelato la concept car “Sesto Elemento” (6 è il numero atomico del C) realizzata completamente in carbon fiber, e in collaborazione con l’Acsl di Seattle, Boeing e Università di Washington. Un prototipo con una massa inferiore a mille kg, un motore da 570 cavalli per superprestazioni e limitate emissioni perché l’auto diventa verde se è leggera. Lo ha capito anche Bmw che userà la fibra di carbonio per realizzare la sua auto elettrica Mcv

 

Articolo del 14 ottobre 2010 ripreso dal Sole 24 Ore a cura di Andrea Carobene