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Grafene, il materiale delle meraviglie
Un materiale super-resistente ed elastico, leggerissimo e con un rapporto superficie-volume elevatissimo, ottimo conduttore di calore ed elettricità, con possibilità di utilizzo come semiconduttore o capacitore. Inoltre, con opportune modifiche può acquisire ulteriori proprietà come idrofilicità, porosità ed altre ancora. Il grafene è tutto questo: un materiale del futuro le cui applicazioni sembrano essere infinite.
Dalla sua scoperta e dal relativo premio Nobel vinto nel 2010 dal gruppo di ricerca del Prof. Geim e Dott. Novoselov [1], l’interesse e gli investimenti per lo sviluppo delle tecnologie legate al grafene è cresciuto enormemente [2]. Così anche la produzione e i relativi utilizzi sono destinati a crescere. D’altronde, lo sviluppo e l’applicazione di nanotecnologie vengono considerate, anche dall’UE, come un fattore chiave per lo sviluppo del continente [3].
Per favorire ciò, sono molti i progetti europei che trattano di nanomateriali e, solo per il grafene, l’UE ha investito 10 miliardi di Euro in 10 anni tramite la Graphene Flagship [4]. Alcuni esempi di applicazioni sviluppate sono: cementi in grado di ridurre l’inquinamento [5], asfalti che non necessitano di manutenzione [6], caschi indistruttibili [7] e ancora vernici, cosmetica, filtri per l’acqua o l’aria, racchette da tennis, batterie, cover per cellulari che raffreddano la batteria, …
Grafene ed ambiente, cosa succede una volta prodotto?
In base a quanto riportato qui sopra è facile evincere come questi nanomateriali possano finire nei diversi comparti ambientali sia come residuo di produzione che come materiale da smaltire. Per questo motivo sono sempre più numerosi gli studi sugli effetti di questi nanomateriali sull’uomo e sull’ambiente [8].
A differenza dei nanotubi di carbonio – per i quali è stato dimostrato un effetto cancerogeno del tipo dell’asbesto (i.e. eternit) – per i nanomateriali derivati dal grafene nulla del genere è stato verificato. Tuttavia, emergono evidenze di effetti tossici sull’uomo dovuti da un lato a stress di tipo ossidativo e dall’altro al danneggiamento delle cellule che vengono in contatto con i nanomateriali stessi. In ogni caso, molto resta da capire, per esempio, sul loro assorbimento intestinale e la loro capacità di passare la barriera ematoencefalica.
Anche le interazioni con l’ambiente dei nanomateriali grafenici devono essere ancora approfondite, ad esempio il loro comportamento aerodinamico e l’interazione con la vegetazione. Una volta in aria questi nanomateriali potrebbero interagire con altre particelle e/o atterrare sulla vegetazione finendo così su strutture appositamente costruite per intercettare un certo tipo di particolato atmosferico: potrebbero dunque contaminare il polline sui fiori.
I primi studi mostrano che in particolare il grafene ossido (un derivato del grafene) altera in-vitro le performance del polline e quindi tale materiale potrebbe causare dei problemi al processo di fecondazione delle piante a seme [9]. Altre osservazioni preliminari in-vivo (ancora non pubblicate) mostrano principalmente un effetto sull’adesione del polline allo stigma, la parte ricettiva del fiore femminile.
Ma cosa succede a questi nanomateriali una volta finiti sui fiori? Ancora poco si sa del trasferimento tra un organismo e l’altro di questi nanomateriali in ambiente terrestre. Immaginiamo un’ape, che si nutre di nettare e polline, la quale si imbatte in questi nanomateriali, cosa potrebbe succedere a lei e al miele che lei stessa produce? Insomma, ancora molto deve essere fatto per capire l’effetto di questi nanomateriali sull’ambiente e sulla salute umana.
Grafene e utilizzo agricolo
Questi nanomateriali possono entrare nell’ambiente anche volontariamente per esempio come applicazione diretta in agricoltura. Infatti, la crescente necessità di ridurre i costi economici ed ambientali, diminuire le emissioni e ottimizzare l’uso della chimica mantenendo o incrementando la produzione agricola, stimola la ricerca anche nel settore primario [10, 11].
I campi di ricerca principali sono quelli del controllo di infestazioni e infezioni, l’applicazione di nano-fertilizzanti, la bonifica dei terreni inquinati e l’utilizzo come sensori.
I nanomateriali a base di grafene possono inoltre essere usati soli, in combinazione con altri nanomateriali e/o assieme a composti chimici (così da potenziarne l’effetto).
Ad esempio: l’utilizzo di grafene ossido ridotto (un altro derivato del grafene) in combinazione con nanoparticelle di selenuro di rame e Chlorpyrifos (un organofosfato) necessita la metà dell’applicazione per avere lo stesso effetto del pesticida usato da solo [12].
Uno degli effetti delle applicazioni di questi nanomateriali in agricoltura è che il loro trasferimento da un organo della pianta all’altro è possibile [13]. È stato addirittura ipotizzato lo sviluppo di tutta una serie di nuovi nanomateriali come un legno-grafene super-resistente. Va altresì precisato che tali effetti variano di pianta in pianta, di organo in organo e di materiale in materiale.
Infine va considerato che le ricerche mostrano ancora risultati discordanti [14]: in alcuni casi le applicazioni mostrano effetti positivi sulle piante e in altri negativi sulla base, per esempio, delle concentrazioni usate o delle modalità d’applicazione.
Reach e CLP: la legislazione EU
Vediamo ora cosa prevede la legislazione vigente in termini di controlli ufficiali su questi nanomateriali. La definizione di un nanomateriale come il grafene è: un materiale naturale, derivato o fabbricato contenente particelle allo stato libero, aggregato o agglomerato, e in cui, per almeno il 50% delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne siano comprese fra 1 e 100 nm [15].
Questa fa ricadere i nanomateriali a base di grafene all’interno della legislazione REACH (Registration, Evaluation, Authorization and restriction of Chemicals) [16] per i composti chimici e CLP (Classification, Labelling & Packaging) per l’etichettatura. Queste legislazioni indicano che ogni prodotto con al suo interno uno di questi nanomateriali debba essere testato e valutato prima della sua autorizzazione al commercio e nel caso venga prodotto un documento di sicurezza SDS (Safety Data Sheet).
REACH e CLP sono legislazioni che prevedono protocolli d’analisi specifici per composti chimici che hanno caratteristiche molto diverse dai nanomateriali, soprattutto per quanto concerne l’idrofilicità.
Questa differenza implica la possibilità che i protocolli usati finora non siano adatti al controllo dei nanomateriali a base di grafene. Ciò comporterà la valutazione dei protocolli attuali e la loro eventuale modifica, se non addirittura lo sviluppo di nuovi metodi dedicati.
A parte ciò, a causa del possibile trasferimento dei nanomateriali grafenici da un organo all’altro e da un organismo all’altro potremmo rischiare di trovarci a controllare praticamente tutto ciò che verrà prodotto dal settore primario: dalle mele alla carne. E per assurdo il fruttivendolo potrebbe venderci prodotti con documenti di sicurezza come quelli in immagine (Fig. 2).
A questo va aggiunto un limite tecnologico attuale: è molto difficile avere nanomateriali grafenici identici tra un lotto di produzione e l’altro. Questi nanomateriali non vengono prodotti attraverso sequenze di reazioni chimiche finemente controllate come quelle dei farmaci o degli erbicidi, perciò vi è un certo grado di variabilità nel prodotto finale.
C’è quindi il rischio che lo stesso prodotto – pensiamo sempre alla mela di prima – sia, di volta in volta, entrato in contatto con nanomateriali con caratteristiche diverse e che, per assurdo, si debba ripartire con i controlli ogni volta da zero.
Conclusioni
Ci troviamo davanti ad una situazione complessa: da un lato le potenzialità dei nanomateriali a base di grafene sembrano infinite e dall’altro l’interazione di questi con ciò che ci circonda e ingeriamo deve essere approfondita andando oltre le metodiche standard.
[1] Press release. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Tue. 1 Oct 2019. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/press-release/
[2] Innova Research. 2015. Overcapacity will soon reshape graphene industry landscape. https://www.newswire.com/news/overcapacity-will-soon-reshape-graphene-production-landscape. Accessed on February 6, 2017.
[3] EC, Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. ‘A Euro- pean strategy for Key Enabling Technologies – A bridge to growth and jobs’. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/ LexUriServ.do?uri=COM: 2012:0341:FIN:EN:PDF (2012)
[4] https://graphene-flagship.eu/project/roadmap/Pages/Roadmap.aspx
[5] https://www.italcementi.it/it/il-cemento-al-grafene-che-conduce-lelettricita-e-puo-riscaldare-le-case-al-mobile-world-congress
[6] https://www.wired.it/lifestyle/mobilita/2017/11/27/asfalto-grafene/
[7] https://graphene-flagship.eu/graphene-motorcycle-helmet
[8] Fadeel B, et al., 2018, Safety Assessment of Graphene-Based Materials: Focus on Human Health and the Environment; ACS Nano, 12, 10582-10620
[9] Candotto Carniel F, et al., 2018, Graphene oxide impairs the pollen performance of Nicotiana tabacum and Corylus avellana suggesting potential negative effects on the sexual reproduction of seed plants; Environmental Science Nano, 00, 1-10
[10] Khot et al., 2012, Applications of nanomaterials in agricultural production and crop protection: A review; Crop Protection, 35, 64-70
[11] Parisi C, et al., 2015, Agricultural Nanotechnologies: What are the current possibilities?; Nano Today, 10, 124-127
[12] Sharma S, et al., 2017, Anti-drift nano-stickers made of graphene oxide for targeted pesticide delivery and crop pest control; Carbon, 115, 781-790
[13] Servin A, et al., 2015, A review of the use of engineered nanomaterials to suppress plant disease and enhance crop yield, Journal of Nanoparticle Research, 17-92
[14] Zanelli D, et al., 2019, Possible applications and critical aspects of carbon nanomaterials use in agriculture, NanoInnovation 2019, “AgriNano Techniques” Workshop
[15] RACCOMANDAZIONE DELLA COMMISSIONE del 18 ottobre 2011 sulla definizione di nanomateriale (2011/696/UE)
[16] https://echa.europa.eu/it/regulations/reach/legislation
[17] https://echa.europa.eu/it/regulations/clp/legislation
Davide Zanelli
Dopo anni di lavoro nel settore della sicurezza agroalimentare, ho deciso di dedicarmi nuovamente al settore della ricerca e studiare gli effetti dei nanomateriali a base di grafene sulle piante.
