Materiali del futuro: Grafene e cemento

Il settore delle costruzioni è in crescita a causa dell’aumento della popolazione e della rapida urbanizzazione. Tuttavia, deve affrontare anche ostacoli significativi nel ridurre la propria impronta di carbonio, in particolare quella legata ai prodotti a base di cemento. Quando si produce il cemento, utilizzato per legare il calcestruzzo tradizionale e la malta, il calcare e altri materiali vengono riscaldati a circa 1.480 gradi Celsius. Questo processo comporta il rilascio di grandi quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. Se il settore edile fosse un Paese, sarebbe al terzo posto per emissioni, dopo Stati Uniti e Cina.

Integrando il grafene nel calcestruzzo, ingegneri e architetti possono creare strutture che richiedono meno materiale, pur ottenendo le stesse prestazioni strutturali del calcestruzzo tradizionale. Il calcestruzzo arricchito con grafene è 2,5 volte più resistente e 4 volte meno permeabile all'acqua rispetto al calcestruzzo standard. Utilizza molto meno cemento per fornire la resistenza desiderata. Di conseguenza, si prevede di ridurre le emissioni di CO2 del 30%.

Nel marzo 2022, Versarien, partner di Graphene Flagship, ha presentato la prima costruzione stampata in 3D al mondo con una miscela potenziata con grafene, denominata Cementene™. Poi, nel settembre 2022, l’azienda ha presentato un’opera d’arte a basse emissioni di carbonio, Island Steps, creata in collaborazione con il designer Steuart Padwick e presentata a Design London.

La Scalinata dell'Isola è stata realizzata senza l'uso del cemento. Invece, Cementene™ è stato utilizzato per migliorare la resistenza e la durabilità della malta utilizzata nelle costruzioni. Ciò ha prodotto una struttura robusta e cava che può essere comodamente costruita in loco o fuori sede e quindi trasportata nella posizione prevista.

Oltre alla forza, i ricercatori cercano di sfruttare la conduttività del grafene per creare pareti, carte da parati e pavimenti riscaldati senza cavi. Nel 2019, il produttore di cemento Italcementi ha presentato un modello di pavimento multistrato al Mobile World Congress 2019 a Barcellona, ​​Spagna. Comprendeva uno strato di composito grafene-cementizio insieme a sottopavimento, isolamento in polistirene, una lastra di cemento, malta di allettamento e piastrelle di ceramica.

Il calcestruzzo intelligente potrebbe inaugurare una nuova generazione di edifici intelligenti. Grazie alla conduttività e alle proprietà termiche del grafene, è possibile implementare sensori intelligenti su intere superfici per il monitoraggio in tempo reale di sollecitazioni, deformazioni, temperatura e umidità nelle infrastrutture civili, fornendo segnali di allarme se l'integrità strutturale è prossima al cedimento.

Il calore e la conduttività elettrica del cemento al grafene ispirano altre potenziali applicazioni. Potrebbe aiutare a sbrinare le piste, i tetti e le strade degli aeroporti, portare a una ricarica wireless più economica dei veicoli elettrici, pavimentazioni antistatiche e schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Gli additivi al grafene sono importanti riempitivi che aumentano la resistenza all'usura, la qualità termica, la capacità di resistere alle fessurazioni e la conduttività delle matrici ceramiche.

Il Graphene Flagship Partnering Project CERANEA, finanziato attraverso il bando transnazionale congiunto FLAG-ERA 2017, ha esplorato le proprietà dei materiali costituiti da pile contenenti grafene, nitruro di boro esagonale (hBN) o altri materiali stratificati, nonché ceramiche, come nitruro di silicio, carburo e zirconio. Questi materiali sono più resistenti delle attuali ceramiche ai danni causati dagli archi elettrici, quindi possono essere utilizzati come rivestimenti di lunga durata per contatti e interruttori.

Inoltre, i compositi con grafene, nitruro di silicio o nitruro di silicio-zirconio vengono studiati come nuovi impianti biomedici in ortopedia. Quantità variabili di grafene nel composito ceramica-grafene determinano porosità diverse che imitano la morfologia naturale dell'osso naturale.

Riferimenti:

Roller disco vs cambiamento climatico: come il grafene sta trasformando il settore edile https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the- industria di costruzioni/

Libro bianco Versarien "Il grafene per il settore delle costruzioni" 2021 https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf