Nanoparticelle di grafene come materiali digitali che generano dati nell'industria 4.0

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4945 (2023) Citare questo articolo

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Una delle potenziali applicazioni dei materiali 2D è quella di migliorare la multifunzionalità di strutture e componenti utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, civile e della difesa. Questi attributi multifunzionali includono rilevamento, accumulo di energia, schermatura EMI e miglioramento delle proprietà. In questo articolo, abbiamo esplorato il potenziale dell'utilizzo del grafene e delle sue varianti come elementi sensoriali generatori di dati nell'Industria 4.0. Abbiamo presentato una tabella di marcia completa per coprire tre tecnologie emergenti, ovvero materiali avanzati, intelligenza artificiale e tecnologia blockchain. L'utilità di materiali 2D come le nanoparticelle di grafene deve ancora essere esplorata come interfaccia per la digitalizzazione di una moderna fabbrica intelligente, ovvero "fabbrica del futuro". In questo articolo, abbiamo esplorato come i compositi potenziati con materiali 2D possano fungere da interfaccia tra spazi fisici e informatici. Viene presentata una panoramica dell'utilizzo di sensori intelligenti integrati basati sul grafene in varie fasi dei processi di produzione dei compositi e della loro applicazione nel monitoraggio della salute strutturale in tempo reale. Vengono discusse le sfide tecniche associate all'interfaccia delle reti di rilevamento basate sul grafene con lo spazio digitale. Inoltre, viene presentata anche una panoramica dell'integrazione di strumenti associati come l'intelligenza artificiale, l'apprendimento automatico e la tecnologia blockchain con dispositivi e strutture basati sul grafene.

Una rivoluzione industriale è un periodo di tempo in cui si verificano cambiamenti significativi nel modo in cui i beni vengono prodotti, al punto da trasformare radicalmente la società, ed è caratterizzato dall’introduzione di tecnologie dirompenti e nuovi metodi di produzione1,2,3. Ciò si traduce in genere in una maggiore efficienza, in una riduzione dei costi, in una maggiore produzione e in un impatto economico e sociale diffuso3. La prima rivoluzione industriale (Industria 1.0) è stata caratterizzata dall’introduzione di metodi di produzione meccanici che utilizzano l’energia dell’acqua e del vapore3,4. L’industria 2.0 ha visto l’introduzione della produzione di massa utilizzando l’elettricità e la catena di montaggio5,6. L’Industria 3.0 ha introdotto l’uso della tecnologia informatica, dei computer e dell’automazione nella produzione, portando ad una maggiore efficienza e personalizzazione6. L’Industria 4.0 va oltre incorporando sistemi intelligenti e autonomi, intelligenza artificiale, robotica, Internet delle cose (IoT), cloud computing e l’integrazione di sistemi fisici e virtuali che porta a un ulteriore livello di automazione e scambio di dati7,8,9 ,10. Si prevede che l’Industria 4.0 evolverà gradualmente nell’Industria 5.0 che sarà caratterizzata da ulteriori progressi nelle tecnologie sopra menzionate10,11,12.

Nell'Industria 4.0, l'interconnessione dello spazio fisico e virtuale è un passo cruciale necessario per realizzare operazioni intelligenti nella progettazione dei materiali e nei processi di produzione13,14,15,16. Lo spazio fisico in un impianto di produzione intelligente si riferisce agli strumenti di produzione, alle materie prime e alle risorse umane. Lo spazio virtuale, invece, include risorse computazionali dotate di capacità di archiviazione e condivisione dei dati, nonché strumenti di analisi dei dati. La convergenza di questi due spazi è attualmente ottenuta attraverso una serie di sensori incorporati o tramite dispositivi di imaging. Tuttavia, questi metodi sono inefficienti e comportano l’incorporamento di oggetti estranei all’interno del materiale o della struttura. La sostituzione di tali dispositivi con il materiale stesso rivoluzionerà il paradigma della produzione digitale. Tale materiale può essere "intelligente" e in grado di rilevare e trasmettere le informazioni o i dati raccolti allo spazio virtuale in tempo reale.

Il grafene e altri materiali 2D possono fungere da interfaccia richiesta e far comunicare direttamente il materiale con il mondo digitale17,18. Il grafene e i relativi materiali 2D sono stati al centro di un’intensa attività di ricerca e sviluppo per oltre un decennio, tuttavia i prodotti che utilizzano questi materiali non hanno ancora conquistato il mercato. Si prevedeva che il grafene, definito un "materiale meraviglioso", avrebbe avuto un'ampia gamma di applicazioni che spaziavano dall'elettronica, alle strutture civili/meccaniche e alla filtrazione dell'acqua, alla tecnologia indossabile, ai biosensori e alla medicina19. Tuttavia, a causa delle dimensioni e dei costi di produzione, queste aspettative non potevano essere realizzate dopo più di un decennio20. Attualmente, i dispositivi che generano dati (come i sensori) basati su materiali 2D sono per lo più ai livelli iniziali di preparazione tecnologica (TRL). Sono necessarie ulteriori ricerche per aumentare i livelli di preparazione tecnologica e realizzare sistemi prototipo più sofisticati per la diffusione commerciale. Per accelerare il percorso verso l’industrializzazione dei materiali 2D e aumentare il loro potenziale di impatto futuro a livello commerciale, è necessario sviluppare e integrare con questi dispositivi strumenti associati come l’intelligenza artificiale e la tecnologia blockchain. Una delle potenziali applicazioni delle nanoparticelle di grafene è quella di conferire multifunzionalità alle strutture. Questi attributi multifunzionali includono rilevamento, accumulo di energia, schermatura EMI e miglioramento delle proprietà, ecc.21,22,23,24.