I primi due impianti industriali brasiliani di grafene sono entrati in produzione e stanno lavorando per conquistare i loro primi clienti . Il grafene è un nanomateriale composto da atomi di carbonio che ha proprietà come elevata conducibilità termica ed elettrica, flessibilità ed elevata resistenza meccanica. Queste caratteristiche suscitano l’interesse di diversi settori industriali, che possono applicare il materiale in una vasta gamma di prodotti, come batterie più leggere con tempi di ricarica più lunghi, smartphone con schermi flessibili, vernici anticorrosive, plastiche e gomme più resistenti e conduttive, leghe materiali e tessuti metallici molto leggeri e imballaggi con barriera e dissipazione termica. Il grafene è stato scoperto nel 2004 dagli scienziati di origine russa Andre Geim e Konstantin Novoselov, professori dell’Università di Manchester, in Inghilterra. Sei anni dopo, la coppia vinse il Premio Nobel per la Fisica per le loro ricerche sul materiale.
Una delle fabbriche pioniere per il materiale in Brasile è di proprietà della società statale Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge), frutto del Progetto MGgrafeno, sviluppato in collaborazione con l’Università Federale del Minas Gerais (UFMG) e il Nuclear Centro di sviluppo tecnologico (CDTN) . L’altra unità industriale è UCSGraphene, frutto di un progetto del Parco Scientifico, Tecnologico e Innovativo dell’Università di Caxias do Sul (TecnoUCS), nel Rio Grande do Sul.
La produzione di Codemge si trova a Belo Horizonte ed è svolta da un team multidisciplinare di 59 persone, 20 delle quali con dottorato di ricerca, tra chimici, fisici, biologi e ingegneri. La produzione sperimentale di grafene è iniziata nel 2018, con una capacità di 150 chilogrammi (kg) all’anno, volume che dalla fine del 2019 è stato gradualmente ampliato e ha già raggiunto una capacità di 300 kg all’anno.
Ricardo Toledo, direttore dello sviluppo dell’alta tecnologia di Codemge, riferisce che il Progetto MGgrafeno si articola in tre fasi. La prima fase è stata lo sviluppo del percorso tecnologico, che si è concluso con la produzione di 150 kg all’anno. Il secondo, in attuazione, è l’instaurazione della capacità di produrre in scala. L’obiettivo è superare la soglia di 1 tonnellata all’anno nel 2021. La terza fase prevede la definizione di accordi commerciali con aziende che svilupperanno applicazioni per il grafene insieme a Codemge.
“Il nostro modello di business non prevede la commercializzazione del grafene, come commodity, ma partnership con aziende interessate, che svilupperanno prodotti che utilizzano il grafene nella loro formulazione”, spiega Toledo. La strategia prevede la personalizzazione del grafene fornito. “Idealmente, i nostri partner devono essere aziende con un’area strutturata di R&D [ricerca e sviluppo], con la capacità di interagire con i nostri ricercatori, che stabiliranno le specifiche del grafene per ogni applicazione”, sottolinea il coordinatore dei progetti di ricerca presso Codemge, Valdirene Peressinotto.
L’obiettivo iniziale di Codemge è stabilire partnership con 15 aziende di diversi segmenti di mercato. Cinque, i cui nominativi sono mantenuti riservati, sono già stati definiti e sono in fase di trattativa contrattuale. Sono un’azienda tessile, un’acciaieria, un produttore di vernici anticorrosione, un produttore di film plastici per imballaggio e un’industria manifatturiera additiva, cioè che produce articoli mediante stampa tridimensionale (3D). Codemge ha inoltre avviato trattative con il suo partner nella produzione di batterie per veicoli elettrici, la britannica Oxis Energy.
Finora, il progetto MGgrafeno ha ricevuto investimenti per 55,3 milioni di R$, finanziati da Codemge. La produzione industriale richiederà investimenti per oltre 70 milioni di R$, risorse che l’azienda statale prevede di ottenere da un partner strategico – ancora in fase di negoziazione.
Il progetto MGgrafene è iniziato nel 2016 con la decisione di Codemge di aggiungere valore alla grafite prodotta a Minas Gerais: il materiale è l’input di base per il grafene. Il Brasile è il terzo produttore mondiale di grafite, con una produzione di 96mila tonnellate nel 2019, secondo un rapporto dello United States Geological Survey (USGS). Minas Gerais rappresenta il 73% della produzione brasiliana. La grafite viene scambiata nell’intervallo di $ 1.000 per tonnellata. Il prezzo del grafene varia a seconda delle sue specifiche, raggiungendo 500 o anche mille volte quel valore.
Eugênio Sávio Unità di produzione dell’impianto pilota del Progetto MGgrafeno, a Belo HorizonteEugênio Sávio
Il processo di produzione del grafene adottato da Codemge è l’esfoliazione chimica della grafite naturale. La grafite è un minerale lamellare, formato impilando fogli di grafene: 1 millimetro di grafite ha 3 milioni di strati di grafene. L’esfoliazione chimica corrisponde sostanzialmente a separare questi fogli e mantenerli isolati e stabili. Il processo avviene con l’utilizzo di solventi – nel caso di Codemge, acqua con alcuni additivi. Il passo successivo è la separazione, la concentrazione e l’essiccazione del prodotto. “Il nostro processo consente una produzione su larga scala, con costi relativamente bassi e un tasso di utilizzo superiore al 90%. Non genera quasi nessun spreco”, afferma Clascídia Furtado, ricercatrice del CDTN.
Un altro vantaggio dell’esfoliazione chimica è l’ottenimento di grafeni con diverso numero di strati e dimensioni laterali, che ne consente l’incorporazione in diverse formulazioni e la loro disposizione sulle superfici e sotto forma di film, fibre e membrane. La fabbrica di Codemge produce due tipi di grafene: il grafene con pochi strati, tra 1 e 5, il più pregiato sul mercato, e le nanoplacche di grafene, che hanno tra 5 e 10 strati. I rifiuti del processo vengono utilizzati per produrre 2,6 tonnellate di nanografite all’anno.
Il fisico Flávio Plentz, del dipartimento di fisica dell’UFMG e ricercatore del progetto MGgrafene, afferma che il gruppo è riuscito a superare gli ostacoli che interessano l’industria internazionale del grafene ancora incipiente. “Abbiamo un materiale a disposizione, con riproducibilità e affidabilità”. Secondo il fisico, i prodotti disponibili sul mercato internazionale differiscono da lotto a lotto: non c’è uniformità nella produzione. I produttori non forniscono una scheda tecnica, con la caratterizzazione tecnica del prodotto, come dimensione, spessore e numero di strati.
“Abbiamo stabilito un protocollo per la qualificazione scientifica del grafene che è pioniere nel mondo. I nostri partner commerciali hanno accesso alla scheda tecnica. Sanno esattamente quale prodotto troveranno e quali caratteristiche contrattualmente verranno consegnate”, afferma Plentz. Questa regolarità produttiva ha già attirato l’attenzione di tre gruppi internazionali che hanno aperto trattative per l’accesso al prodotto.
A Rio Grande do Sul, l’unità UCSGraphene è entrata in funzione a marzo. Il valore dell’investimento, finanziato dall’Università di Caxias do Sul (UCS), un’istituzione comunitaria di istruzione superiore, non è stato reso noto. “Il nostro grafene è del tipo standard, noto anche come palancole, che sono nanoflakes [nanofloc] che hanno tra 30 e 100 strati di grafene. E produciamo anche nanopiastrine, sotto i 30 strati”, afferma Diego Piazza, coordinatore del progetto e ricercatore di TecnoUCS. Secondo lui, la capacità produttiva iniziale è di 500 kg all’anno, un volume che può essere esteso a 5mila kg all’anno, a seguito dell’aumento della domanda.
La produzione di grafene è il risultato di un progetto di oltre 15 anni in UCS. Durante questo periodo, l’istituto sviluppò diversi percorsi di produzione. Nel 2018, dopo un’analisi di mercato, UCS ha concluso che si trovava di fronte a una buona opportunità e ha deciso di accelerare il processo assumendo una società di consulenza internazionale. Le attrezzature e il processo produttivo, tramite esfoliazione chimica, gli stessi dello stabilimento di Minas Gerais, sono stati acquisiti sotto la guida di questa azienda.
“Il nostro focus è diviso in tre fronti: produzione, caratterizzazione e sviluppo di applicazioni al grafene”, afferma Piazza. Tra gli studi svolti presso l’università ci sono l’uso del grafene nei materiali compositi (polimeri, ceramiche e metalli), dispositivi di protezione più leggeri e robusti e rivestimenti avanzati, come i prodotti per l’assorbimento di petrolio, con possibilità di utilizzo in fuoriuscite di petrolio. al mare.
Roger Clots Test di valutazione di consistenza e purezza del grafene prodotto da UCSGrapheneRoger Clots Nasce
la prima partnership con Marcopolo, produttore di carrozzerie per autobus del Rio Grande do Sul. Il suo interesse è per i compositi di alluminio e grafene per produrre parti più leggere e resistenti. “Siamo in diverse fasi di trattativa con potenziali utilizzatori di grafene”, afferma Piazza. UCSGraphene ha optato per un modello flessibile di performance di mercato. Può vendere grafene solo a parti interessate o stabilire partnership per sviluppare applicazioni per il materiale.
Il rapporto “The Global Graphene Market”, pubblicato nel 2019 dalla società di consulenza Research and Markets, informa che ci sono 200 aziende nel mondo che producono materiali che utilizzano il grafene o stanno sviluppando prodotti che incorporano il grafene, la maggior parte in Nord America, Europa , Cina e Australia. Si stima che questo mercato crescerà del 30% all’anno e raggiungerà i 250 milioni di dollari nel 2025. Il
fisico Thoroh de Souza, creatore del Center for Advanced Research in Graphene, Nanomaterials and Nanotechnologies (MackGraphe) presso l’Universidade Presbiteriana Mackenzie, a San Paolo , afferma che produrre grafene in scala e mantenere la qualità del materiale è un grande risultato, ma è solo il primo anello della catena di produzione. Supportato da FAPESP, MackGraphe è stato il primo centro di ricerca sul materiale in America Latina, creato nel 2013.
Anche il passo successivo, l’introduzione del grafene nella formulazione dei prodotti, non è banale. “Ci vuole molto lavoro per convertire le proprietà appropriate del grafene per ciascun prodotto e in modo che questi prodotti facciano la differenza nella vita delle persone”, afferma il ricercatore. L’esecuzione di questo compito ha ispirato Souza a creare la startup Dream Tech Nanotechnology. In funzione da luglio 2018, sviluppa applicazioni personalizzate di grafene per potenziali clienti industriali e finora ha sviluppato progetti nei settori della cosmetica e dell’automotive. Secondo Souza, le possibilità di nuove applicazioni per il grafene sono numerose. “Presto avremo prodotti high-tech progettati utilizzando grafene, come celle solari e sensori di intelligenza artificiale”, afferma.