Grafene: "materiale miracoloso" ma potenzialmente pericoloso per la salute

Uno studio condotto da un gruppo di ricercatori della Brown University ha dimostrato come il grafene sia in grado di compromettere le funzionalità cellulari degli organismi viventi illustrando inoltre il meccanismo di interazione alla base del problema.

Il grafene, qualora il risultato dello studio trovasse ulteriori riscontri, potrebbe entrare a far parte della categoria dei materiali pericolosi come i "cugini cilindrici", i nanotubi di carbonio.

Facciamo un passo indietro e cerchiamo di capire perché è tanto importante questo nuovo ed innovativo materiale: si tratta di un materiale rivoluzionario, composto da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo; è più duro di un diamante, eppure incredibilmente flessibile, e il migliore conduttore di elettricità in assoluto.

Non per nulla, nel 2010, questa rivoluzionaria scoperta ha portato i suoi inventori (il dott. Geim e il suo collega Konstantin Novoselov) a vincere il premio Nobel per la fisica, per aver isolato qualcosa che è stata descritta come "materiale miracoloso" che trasformerà le vite di tutti noi.

I legami tra i suoi atomi permettono anche di piegarlo e tenderlo, più duro di un diamante ma enormemente flessibile. Ancor più importante, la sua particolare struttura a reticolo (celle esagonali) permette agli elettroni, che trasportano la corrente, di muoversi così velocemente da raggiungere quasi la velocità della luce.

Fino ad ora si sono analizzate solo le prospettive di implementazione di questa scoperta, mettendo in ombra i limiti di quanto scoperto. 

Sono svariate le applicazioni che lo potrebbero riguardare:

• smartphone con touch screen infrangibili e/o flessibili come e quanto l'orologio da polso;
• una vera e propria rivoluzione in ambito medico (ad es. dispositivi bionici);
• membrane desalinizzanti;
• filtri per i rifiuti radioattivi;
• chip di computer e connessione a banda larga sensazionalmente veloci;
• pannelli solari che possono essere dipinti o spruzzati su qualunque superficie;
• batterie infinitamente più durature;
• potrebbe essere utilizzato in qualunque cosa si muove, comprese le macchine elettriche;
• può dare vita a una serie infinita di tipologie di sensori, impiegati in campo militare, sicurezza domestica, in medicina

Queste sono solo alcune delle potenzialità del grafene che vengono suggerite dai ricercatori. Come detto all'inizio del post, però, questa scoperta sensazionale ha anche dei limiti.

Agnes Kane, responsabile del Department of Pathology and Laboratory Medicine e coordinatrice della ricerca, spiega:

Il grafene ha molte proprietà uniche, ma la più importante è che viene ricavato dalla grafite, un minerale presente in natura, tramite esfoliazione chimica o meccanica che separa gli strati di carbonio, con la creazione di polveri secche che potrebbero essere inalate. In qualità di patologi abbiamo studiato i nanotubi e altri materiali legati al carbonio, ma questo è il primo nanomateriale bidimensionale di cui abbiamo analizzato la tossicità.

Il gruppo ha preso come punto di partenza alcuni studi di tossicità già condotti sul grafene, che hanno mostrato la capacità di questo materiale di compromettere le funzioni cellulari. Lo scopo dei ricercatori è stato quello di scoprire il meccanismo di interazione tra grafene e cellule, in maniera tale da motivare la tossicità. A questo proposito il gruppo di ricercatori ha fatto affidamento ad una simulazione computazionale e anatomicamente accurata di una cellulla e di un elemento in grafene.

I risultati delle prime simulazioni non hanno mostrato nulla di anomalo, in contrasto con altri esperimenti di tossicità già condotti in precedenza. Il gruppo ha quindi modificato le condizioni della simulazione, in particolare cambiando la forma dei frammenti di grafene simulati: da semplici strutture quadrate ad elementi con bordi netti e punte, molto più simili a quanto si verifica nella realtà. A questo punto le simulazioni hanno mostrato che questi frammento possono penetrare la parete cellulare trascinando all'interno della cellula altri frammenti.

Dopo i risultati ottenuti dalle simulazioni, il gruppo ha condotto ulteriori esperimenti in laboratorio per analizzare la tossicità del grafene su tessuti cellulari ricavati da un polmone umano e dalla pelle, ricavando immagini dettagliati dell'interazione, dimostrando come frammenti di grafene di 10 micron possono danneggiare le cellule.

Lo scopo ultimo del gruppo è quello di approntare uno studio sui nanomateriali tossici ed una successiva metodologia per la loro produzione e gestione, in modo da assicurare un corretto e sicuro impiego per tutto il loro ciclo di vita.

Un grande vantaggio dei nanomateriali è la possibilità di ingegnerizzarli per ottenere proprietà specifiche. L'impiego della modellazione computazionale ci può permettere di modificare questi materiali allo scopo di renderli meno tossici.

L'uso del grafene, quand'anche dichiarato materiale pericoloso, non è necessariamente minato alla base: attualmente alcuni materiali pericolosi (piombo, mercurio, cadmio), opportunamente trattati gestiti, vengono impiegati per la produzione dei dispositivi elettronici.