Dal laboratorio all’industria: la nuova arma europea in termini di materie prime? Come il grafene ci rende indipendenti da Cina e Stati Uniti

Più resistente dell’acciaio, più sottile di un capello: come il grafene sta rivoluzionando il cemento, nemico del clima

La batteria del futuro si ricarica 60 volte più velocemente: perché il vero boom del grafene è solo all’inizio

Un tempo il grafene era considerato il materiale prodigioso per eccellenza del XXI secolo: più duro del diamante, estremamente conduttivo e spesso un solo atomo. Ma il Premio Nobel per la Fisica e l’enorme attenzione mediatica furono presto seguiti dalla disillusione quando la produzione industriale su larga scala fallì a causa di complesse difficoltà. Il pubblico si allontanò, ma la ricerca continuò silenziosamente. Oggi, a più di un decennio di distanza, questo materiale a base di carbonio sta vivendo una straordinaria rinascita. Lontano dai riflettori, ricercatori europei, startup e grandi aziende hanno trasformato il materiale da curiosità di laboratorio in un fattore economico tangibile. Che si tratti di un super additivo per il calcestruzzo che riduce le emissioni di CO₂, di un elemento cruciale per l’efficienza delle batterie del futuro o di una carta vincente geopolitica nella lotta contro la dipendenza dalle terre rare: il grafene non è più solo una promessa, ma sta cambiando radicalmente le regole del gioco nell’industria globale. L’Europa si trova ora a un punto di svolta: la tecnologia è pronta, ma riuscirà a raggiungere la scalabilità per la produzione di massa?

Il grafene come fattore economico: perché il grafene, il “materiale miracoloso”, vale improvvisamente miliardi

Il materiale miracoloso è tornato, e questa volta con un’industria di tutto rispetto al seguito

Il grafene ha una storia travagliata. Quando Andre Geim e Konstantin Novoselov isolarono per la prima volta un singolo strato atomico di carbonio all’Università di Manchester nel 2004, ricevendo il Premio Nobel per la Fisica per questa scoperta nel 2010, l’entusiasmo scientifico esplose. I media si sbizzarrirono con i superlativi: più duro del diamante, più conduttivo del rame, più flessibile della gomma, praticamente trasparente – questo materiale avrebbe cambiato tutto. Poi arrivò il lungo periodo di disillusione. L’aumento della produzione si rivelò più complicato del previsto, i costi rimasero proibitivi e l’industria attese invano i prodotti promessi.

Ma mentre i media perdevano interesse, gli istituti di ricerca europei, le startup e le grandi aziende hanno continuato silenziosamente il loro lavoro. Il risultato di questo decennio di silenzio è notevole: il grafene non è più un oggetto di laboratorio, ma un materiale industriale emergente con applicazioni concrete, processi produttivi validati e un mercato globale che sta appena iniziando a sviluppare il proprio slancio. Il mercato globale del grafene, che si attestava intorno ai 432,7 milioni di dollari nel 2023, dovrebbe crescere fino a quasi 2,96 miliardi di dollari entro il 2030, con un tasso di crescita annuo di quasi il 31%. L’Europa si sta posizionando come il secondo mercato più grande al mondo.

Il ritorno del grafene nel dibattito di politica economica non è casuale. Coincide con l’urgente necessità dell’Europa di rendere la propria industria più efficiente nell’uso delle risorse, più rispettosa del clima e più competitiva, senza sacrificare la capacità produttiva. Il grafene offre proprio questo: non sostituisce le infrastrutture esistenti, ma è un additivo che migliora radicalmente i materiali già presenti. Questo ruolo di amplificatore invisibile rende il grafene un elemento economicamente molto più interessante di quanto non appaia a prima vista.

Dieci anni di un progetto da un miliardo di euro: in rassegna il fiore all’occhiello europeo del grafene

L’Europa ha compreso fin da subito che la transizione dalla ricerca di base all’industrializzazione dei nuovi materiali doveva essere gestita attivamente. Il risultato è stata la Graphene Flagship Initiative, la più grande iniziativa di ricerca europea mai lanciata, con un budget totale di circa un miliardo di euro in dieci anni. L’iniziativa si è conclusa ufficialmente alla fine del 2023. Il suo rapporto finale si legge come una storia industriale in rapida evoluzione.

Dal progetto sono scaturite quasi 5.000 pubblicazioni scientifiche, oltre 80 brevetti e 20 società spin-off. Le 17 startup nate a seguito del progetto hanno raccolto complessivamente più di 130 milioni di euro in capitale di rischio. Secondo un’analisi dell’istituto di ricerca economica WifOR, il Graphene Flagship ha generato un valore aggiunto di circa 5,9 miliardi di euro nei paesi partecipanti e creato oltre 80.000 nuovi posti di lavoro in Europa. L’analisi ha concluso che il suo impatto ha superato di oltre dieci volte quello di progetti UE comparabili ma di durata inferiore.

Il consorzio vantava una significativa rappresentanza industriale: il 48% dei suoi membri proveniva dall’industria europea, tra cui Airbus, ABB, Nokia, VARTA, Lufthansa Technik, MEDICA, Tetra Pak e Fiat-Chrysler. Questo peso industriale non è meramente decorativo. Dimostra che il grafene non è più solo oggetto di interesse accademico, ma viene testato come materiale potenzialmente rivoluzionario in concreti processi di sviluppo di prodotti. Inoltre, la Commissione europea ha finanziato una linea pilota per l’elettronica, l’optoelettronica e i sensori a base di grafene con ulteriori 20 milioni di euro. Nel 2024, BeDimensional, una spin-off del progetto principale, si è assicurata 20 milioni di euro di finanziamenti dalla BEI per incrementare la produzione di grafene.

Fraunhofer ISI, che svolge un ruolo di primo piano nell’analisi del potenziale di innovazione, prevede che a partire dal 2025 l’industria sarà in grado di tradurre le ultime innovazioni in prodotti e applicazioni concrete, dalle batterie e celle solari alle tecnologie mediche. La correttezza di questa previsione può essere verificata esaminando i singoli settori applicativi.

Più resistente, più leggero, più ecologico: il grafene come nuovo legante nel calcestruzzo

Il settore cementiero globale è uno dei maggiori emettitori industriali di CO₂ al mondo. La sola produzione di clinker di cemento rappresenta circa l’otto percento delle emissioni globali di gas serra. Per l’Europa, che si è impegnata a raggiungere la neutralità climatica entro il 2050, questo settore rappresenta un problema cruciale senza una soluzione semplice. Gli attuali sostituti del clinker, come le ceneri volanti o le scorie granulate di altoforno, presentano proprietà leganti inferiori e rendono il calcestruzzo meno durevole. Il grafene potrebbe offrire una soluzione strutturale in questo contesto.

L’approccio è concettualmente elegante: l’aggiunta di appena pochi centesimi di punto percentuale di grafene – circa lo 0,03% in peso – è sufficiente a migliorare significativamente l’integrità strutturale del calcestruzzo. Questo additivo permette di ridurre il contenuto di cemento nel calcestruzzo fino al 50%, mantenendo o addirittura aumentando la resistenza strutturale. Uno studio ha calcolato un risparmio di circa 446 chilogrammi di CO₂ per tonnellata di calcestruzzo. Allo stesso tempo, il grafene aumenta la resistenza alla compressione del calcestruzzo fino al 44%, ne migliora la resistenza all’acqua e ne accelera la stagionatura.

Nel 2025, l’azienda australiana First Graphene, in collaborazione con il gruppo britannico di materiali da costruzione Breedon Group, ha presentato i primi risultati di prove sul campo su larga scala con soluzioni di calcestruzzo e malta arricchite con grafene. Sono seguite le prime applicazioni in altri mercati internazionali, compresi progetti infrastrutturali che devono soddisfare i requisiti ESG (ambientali, sociali e di governance). La startup Concrene Ltd. ha inoltre dimostrato che anche una minima aggiunta di grafene porta a vantaggi in termini di costi a lungo termine – nonostante gli attuali costi di produzione più elevati – poiché il consumo di materiale diminuisce e la durata utile delle strutture aumenta significativamente.

Questo caso d’uso è particolarmente rilevante per l’Europa. Il settore delle costruzioni è uno dei più importanti settori economici del continente e la densificazione delle aree urbane, così come la ristrutturazione delle infrastrutture obsolete, richiedono ingenti investimenti. Il calcestruzzo rinforzato con grafene potrebbe non solo ridurre le emissioni, ma anche diminuire i costi del ciclo di vita, un argomento che sta acquisendo sempre maggiore importanza nelle gare d’appalto pubbliche.

La batteria del futuro: il grafene tra evoluzione e rivoluzione

Nessun ambito del dibattito pubblico sul grafene ha attirato più attenzione dell’accumulo di energia. E nessun altro ambito illustra meglio la differenza tra potenziale scientifico e realtà industriale. Il grafene non è un tipo di batteria a sé stante che si limita a sostituire la tecnologia agli ioni di litio. È un materiale additivo e di rinforzo che migliora i sistemi esistenti – il che può sembrare meno spettacolare, ma è economicamente molto più rilevante.

In una pubblicazione ampiamente acclamata del 2025, il Fraunhofer ISI ha analizzato il potenziale innovativo del grafene nelle batterie agli ioni di litio, giungendo a una conclusione chiara: il grafene, come additivo nei compositi silicio-carbonio, consente di ottenere una densità energetica superiore fino al 30%. In collaborazione con VARTA, la società spin-off BeDimensional, leader nel settore del grafene, sta sviluppando batterie al silicio con grafene che mostrano anch’esse un aumento di capacità del 30%. Inoltre, il grafene migliora la capacità di ricarica rapida e prolunga la durata della batteria riducendo il rigonfiamento degli anodi di silicio durante la ricarica.

Approcci sperimentali più avanzati si spingono ben oltre: nei test di laboratorio, le batterie al grafene e alluminio dell’Australian Graphene Manufacturing Group hanno raggiunto velocità di ricarica che, a quanto pare, sono 60 volte superiori a quelle delle tradizionali batterie agli ioni di litio, con una capacità di accumulo tre volte maggiore. Le densità energetiche teoriche, fino a 1.000 Wh/kg, contrastano nettamente con i 180-250 Wh/kg delle attuali batterie agli ioni di litio. Tuttavia, mancano ancora prove di scalabilità industriale per tali sistemi.

I supercondensatori al grafene sono ormai vicinissimi alla commercializzazione. A differenza delle batterie, questi dispositivi di accumulo di energia possono assorbire e rilasciare grandi quantità di energia in tempi estremamente rapidi, risultando ideali per bilanciare i picchi di consumo energetico nei veicoli elettrici o nelle applicazioni industriali. Nel progetto ElectroGraph, finanziato dall’UE, dieci partner del mondo della ricerca e dell’industria, guidati dal Fraunhofer IPA, hanno sviluppato nuovi supercondensatori con elettrodi in grafene che hanno raggiunto una capacità di accumulo superiore del 75% rispetto ai precedenti sistemi a base di carbone attivo. La differenza è dovuta alla loro struttura: il carbone attivo ha una superficie specifica compresa tra 100 e 800 m²/g, mentre il grafene raggiunge fino a 2.600 m²/g. Il limite di un milione di cicli di carica che i supercondensatori al grafene possono teoricamente superare (rispetto ai 2.000-3.000 cicli delle batterie convenzionali) li rende inoltre una soluzione di accumulo di energia a lungo termine economicamente vantaggiosa.

Elettrodi intelligenti: il grafene sostituisce il raro indio

Nella moderna produzione di elettronica, esiste un collo di bottiglia invisibile: l’ossido di indio-stagno (ITO). Questo materiale composito è ormai utilizzato come elettrodo trasparente e conduttivo in quasi tutti i touchscreen, display OLED e celle solari. Il problema: l’indio è una risorsa critica, la cui disponibilità dipende da fattori geopolitici e da giacimenti limitati. L’industria elettronica europea si trova quindi ad affrontare una dipendenza strutturale che sta diventando sempre più critica con la crescente domanda di display, elettronica flessibile e fotovoltaico.

Il grafene offre un’alternativa naturale in questo caso. È trasparente, altamente conduttivo e meccanicamente flessibile: proprietà che possiede anche l’ITO, ma che il grafene può offrire in strati più sottili e senza l’uso di elementi delle terre rare. Nel suo progetto GLADIATOR, il Fraunhofer FEP ha dimostrato l’integrazione del grafene come elettrodo negli OLED e ha scoperto che i dispositivi a base di grafene presentano una maggiore stabilità operativa rispetto alle loro controparti in ITO. Nel 2024, i ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell’Università di Tianjin hanno raggiunto un altro traguardo: la produzione del primo semiconduttore di grafene pratico.

Il grafene è particolarmente interessante come sostituto dell’ITO per il fotovoltaico. L’Helmholtz-Zentrum Berlin ha sviluppato un metodo per applicare uno strato di grafene completamente trasparente direttamente sulla delicata superficie della perovskite delle celle solari tandem con strati di perovskite, senza le perdite di tensione a circuito aperto tipiche dell’ITO. Questo elimina anche il processo di sputtering, che può danneggiare lo strato di perovskite nelle applicazioni con ITO. Allo stesso tempo, il grafene, grazie alla sua quasi totale trasparenza, teoricamente non presenta perdite di conversione energetica come contatto frontale. I gruppi di ricerca hanno già raggiunto efficienze che superano quelle delle celle di confronto basate su ITO.

Nel settore dell’elettronica in generale, lo sviluppo dei semiconduttori al grafene rappresenta forse la promessa più rivoluzionaria. Presentati per la prima volta nel 2024, i semiconduttori al grafene mostrano una mobilità elettronica dieci volte superiore a quella del silicio. Questo li rende più veloci, più efficienti e meno soggetti al surriscaldamento. Per l’industria europea dei semiconduttori, che sarà specificamente rafforzata dall’European Chips Act, ciò apre un’opportunità di differenziazione strategicamente rilevante rispetto ai concorrenti asiatici, che si concentrano prevalentemente sulla tecnologia al silicio.

Acqua purificata tramite atomi: membrane di grafene nel trattamento delle acque

La crisi globale dell’acqua potabile è una delle sfide economiche più urgenti del XXI secolo. La desalinizzazione convenzionale dell’acqua di mare tramite osmosi inversa è ad alta intensità energetica, costosa e si basa su membrane a gradiente di pressione realizzate in polimeri plastici che devono funzionare in modo affidabile per decenni. Il grafene offre un approccio radicalmente diverso.

Gli scienziati dell’Università di Manchester hanno sviluppato una membrana di ossido di grafene con pori più piccoli di un nanometro: appena sufficientemente grandi da permettere il passaggio delle molecole d’acqua, ma troppo stretti per il cloruro di sodio e altri sali. Il principio alla base di questa scoperta, che permette di controllare i pori a livello atomico, è considerato una vera e propria innovazione concettuale. Il gruppo di ricerca guidato da Rahul Nair è stato il primo a dimostrare che la dimensione dei pori può essere controllata con precisione, consentendo così prestazioni di desalinizzazione affidabili. Presso l’ETH di Zurigo, sono state sviluppate membrane di grafene ultrasottili adatte non solo alla desalinizzazione dell’acqua di mare, ma anche al filtraggio delle nanoparticelle dall’acqua potabile.

Parallelamente, il grafene come materiale per elettrodi apre la strada a una via di desalinizzazione elettrochimica: poiché il grafene trasporta le cariche elettriche in modo estremamente efficiente, i sali ionici possono essere disciolti direttamente dall’acqua. I test hanno dimostrato che questo da solo può ridurre la salinità del 60% prima che entri in gioco la filtrazione a membrana a valle. La combinazione di un precursore elettrochimico e della filtrazione a membrana di grafene potrebbe ridurre significativamente il consumo energetico della desalinizzazione, un vantaggio economico sostanziale nelle regioni con costi energetici elevati.

Gli aerogel di grafene ampliano la gamma di applicazioni per il trattamento delle acque in una nuova direzione. Queste strutture tridimensionali di grafene presentano una porosità simile a quella di una spugna e possono assorbire da 900 a 1.000 volte il proprio peso in olio o solventi organici. Da una miscela di olio e acqua, assorbono l’olio in modo altamente efficiente e selettivo senza legare l’acqua. Le sostanze assorbite possono quindi essere rimosse tramite distillazione o incenerimento, consentendo il riutilizzo dell’aerogel più volte. Per l’industria, ciò si traduce in un agente pulente affidabile e riutilizzabile per sversamenti di petrolio, acque reflue di produzione e acque reflue industriali.