Nanomateriali a base di grafene : tossicologia, proprietà e processi produttivi

The work done in this thesis consists of a literature research on nanomaterials based on Graphene, analyzing various aspects. Research has led to the definition of the intrinsic nature of the material and its various forms and compositions. The structure of the Grafene was examined in detail, examining its particular band structure and the special linear relationship between energy and momentum; the latter clarifies how this material possesses extraordinary and unique qualities. The characteristic properties such as electronic, optical, mechanical, thermal and chemical properties have also been illustrated and summarized. In addition, some historical events that have led to his "discovery" have been listed. Following these descriptions, the research was directed to the display of numerous technological applications. Grafene can be used to improve existing technologies in various fields such as electronics, the energy sector, medicine, the manufacture of advanced sensors and the desalination of marine water. The next step was to describe some of the most popular production methods and with high probability of industrial use. Hence, bottom-up and top-down production methods were mentioned and classified; consequently outlining the micromechanical cleavage processes, exfoliation in the liquid phase, grinding ball, exfoliation electrochemistry and chemical vapor deposition. As for this section has investigated the possible developments in the industry today. Finally, the main part of the thesis was outlined, that is the description of the risks inherent in the synthesis and use of Grafene. Efforts were made to characterize a risk assessment based on in-vitro and in-vitro toxicological experiments carried out by multiple researchers; considering in addition the mechanisms and toxicity factors. To end the risk assessment, the methods by which workers can come into contact with Grafene's nanomaterials were described, assessing what was most likely to cause a detrimental effect; it has therefore focused on its description. In conclusion, a mathematical model and a human respiratory replication experiment confirmed the ease with which Grafene's inhalation of nanoparticles could be dangerous to human health.

Il lavoro condotto in questa tesi consiste di una ricerca bibliografica sui nanomateriali a base di Grafene, analizzandone vari aspetti. La ricerca ha portato a definire la natura intrinseca del materiale e quali possono essere le sue varie forme e composizioni. Si è sondata nel dettaglio la struttura del Grafene, esaminando la sua particolare struttura a bande e la speciale relazione lineare tra energia e momento; quest’ultima chiarisce come questo materiale sia in possesso di qualità straordinarie e uniche. Sono state inoltre illustrate e riassunte le proprietà caratteristiche quali le proprietà elettroniche, ottiche, meccaniche, termiche e chimiche. In aggiunta sono stati elencati alcuni eventi storici che han portato alla sua “scoperta”. In seguito a queste descrizioni la ricerca è stata indirizzata all’esposizione di numerose applicazioni tecnologiche. Il Grafene può esser impiegato per migliorare tecnologie già esistenti in diversi campi come l’elettronica, il settore energetico, la medicina, la fabbricazione di sensori avanzati e la desalinizzazione dell’acqua marina. Il passaggio successivo è stato la descrizione di alcuni dei metodi di produzione più popolari e con alte probabilità di impiego a livello industriale. Sono stati quindi accennati e classificati i metodi di produzione bottom-up e top-down; delineando conseguentemente i processi di scissione micromeccanica, di esfoliazione in fase liquida, di macinatura a sfere, di esfoliazione elettrochimica e di deposizione chimica da vapore. Per quanto riguarda questa sezione si è indagato sugli eventuali sviluppi nell’industria odierna. Infine è stata delineata la parte principale della tesi, cioè la descrizione dei rischi che si celano durante i processi di sintesi e di utilizzo del Grafene. Si è cercato di improntare un Risk Assessment, basandosi sugli esperimenti tossicologici in vitro e in vivo effettuati da molteplici ricercatori; considerando in aggiunta i meccanismi e i fattori di tossicità. Per concludere la valutazione dei rischi sono stati descritti i metodi con cui i lavoratori posso entrare in contatto con i nanomateriali a base di Grafene, valutando quale avesse maggior probabilità di indurre un effetto dannoso; si è quindi incentrati sulla sua descrizione. In conclusione, un modello matematico e un esperimento su repliche dell’apparato respiratorio umano han dato conferma della facilità con cui l’inalazione delle nanoparticelle di Grafene possa essere pericoloso per la salute umana.