Una squadra internazionale di ricercatori guidati dall’Università di Tokyo ha scoperto un nuovo materiale che, quando avvolto in un nanotubo genera energia elettrica se esposto alla luce. Se ingrandita e scalata, dicono gli scienziati, la tecnologia potrebbe venire utilizzata in futuri dispositivi solari ad alta efficienza.
Gli scienziati studiando possibili applicazioni per un nanotubo semiconduttore hanno scoperto che un determinato materiale – composto da disolfuro di tungsteno – esibisce l’effetto fotovoltaico anomalo (BPVE) a un’efficienza molto più alta rispetto ad altri materiali conosciuti per esibire lo stesso fenomeno. La BPVE avviene quando la corrente generata attraverso l’intera struttura del materiale piuttosto che essere affidata a una giunzione tra i materiali.
“Essenzialmente il nostro materiale di ricerca genera elettricità come fanno i pannelli solari, solo in maniera differente. Abbiamo dimostrato per la prima volta che i nanomateriali possono superare un ostacolo che presto limiterà l’attuale tecnologia solare.”
– University of Tokyo professor Yoshihiro Iwasa
Il disolfuro di tungsteno esibisce un effetto fotovoltaico solo quando avvolto in nanotubi. L’effetto fotovoltaico anomalo avviene perchè il nanotubo non è simmetrico e la corrente generata ha una direzione favorita verso cui scorrere. Altri materiali con una simile struttura di “inversione di simmetria rotta” hanno dimostrato di esibire lo stesso effetto ma Iwasa e la sua squadra hanno scoperto che con i nanotubi di disolfuro di tungsteno l’efficienza di conversione si è dimostrata molto più alta.
“La nostra ricerca mostra un intero ordine di magnitudine di miglioramento nell’efficienza di BPVE rispetto alla sua presenza in altri materiali”, ha detto Iwasa. Lo studio è stato pubblicato su Nature.
In teoria, il BPVE potrebbe fornire agli scienziati una strada verso celle solari più efficienti. In ogni caso, l’efficienza dimostrata per ora risulta essere troppo bassa per andare oltre il laboratorio. Iwasa ha oltretutto osservato che scalare questa tecnologia a grandezze significative costituisce una sfida significante.
“Nonostante questo enorme miglioramento, il nostro nanotubo WS2 non può ancora essere comparato al potenziale generato dai materiali con giunzioni p-n. Questo perchè il dispositivo essendo nanoscopico sarà difficile da ingrandire. Ma è possibile, e spero che i chimici siano in grando di raccogliere la sfida”
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Un team guidato da ricercatori della UCLA Henry Samueli School di Ingegneria e Scienze Applicate ha creato un metallo strutturale super-forte ma leggero con un forza specifica eccezionalmente resistente in termini assoluti. Il nuovo metallo è composto da magnesio infuso in maniera densa e omogenea con nanoparticelle ceramiche di carburo di silicio. Potrebbe essere utilizzato per creare aeroplani, moduli spaziali e auto più leggere – aiutando a migliorare l’efficienza energetica di questi mezzi – come anche nell’industria dell’elettronica portatile e dei dispositivi biomedici.
Per creare questo metallo super-forte ma leggero, la squadra ha trovato un nuovo modo per disperdere e stabilizzare nanoparticelle all’interno del metallo fuso. Hanno anche sviluppato un metodo di manifattura scalabile che potrebbe aprire la strada per altri metalli superleggeri con caratteristiche simili. La ricerca è stata pubblicata su Nature.
“E’ stato ipotizzato che le nanoparticelle potrebbero realmente rafforzare la resistenza dei metalli senza danneggiarne la plasticità, specialmente metalli leggeri come il magnesio, ma nessun gruppo è mai stato in grado di disperdere nanoparticelle ceramiche in metalli fusi fino ad ora”
ha affermato Xiaochun Li, il principale indagatore sulla ricerca con cattedra Raytheon in Ingegneria Manifatturiera all’UCLA.
“Con una infusione di processi fisici e materiali, il nostro metodo apre un nuovo mondo riguardante il miglioramento delle caratteristiche dei metalli per superare le sfide della società moderna nel campo dell’energia e della sostenibilità.”
Sulla sinistra, un campione deformato del metallo puro; sulla destra, il nuovo e resistente metallo composto da magnesio e nanoparticelle di carburo di silicio. Ogni micro-colonna ha un diametro di circa 4 micrometri. Credit: UCLA Scifacturing Laboratory
I metalli strutturali sono metalli portanti; essi vengono utilizzati negli edifici e nei veicoli. Il magnesio, con due terzi della densità rispetto all’alluminio, è il più leggero metallo strutturale. Il carburo di silicio è una ceramica ultra-resistente comunemente utilizzata nelle lame da taglio industriali. La tecnica dei ricercatori che infonde un grande numero di particelle di carburo di silicio più piccole di 100 nanometri nel magnesio aggiunge una quantità significante di resistenza, rigidità, plasticità e durabilità ad alte temperature.
Il nuovo magnesio infuso con carburo di silicio dei ricercatori ha dimostrato livelli record di resistenza specifica – ovvero quanto peso un materiale può sopportare prima di rompersi – e modulus – la rigidità del materiale in rapporto al suo peso. ha inoltre dimostrato una stabilità superiore ad alte temperature.
Le particelle di ceramica sono a lungo state considerate potenzialmente in grado di migliorare i metalli. L’inconveniente con particelle di ceramica su microscala stava nel processo d’infusione causava una perdita di plasticità.
Le particelle su nanoscala, al contrario, possono migliorare la resistenza mantenendo e addirittura migliorando la plasticità dei metalli. Il nuovo problema consisteva nel fatto che le particelle di ceramica tendevano a raggrupparsi insieme piuttosto che a distribuirsi omogeneamente a causa della tendenza delle piccole particelle nell’attrarsi l’una con l’altra.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno disperso le perticelle in una lega di magnesio e zinco. La scoperta di questa nuova dispersione nanoparticellare fà affidamento sull’energia cinetica del movimento delle particelle. Questa le stabilizza e ne previene l’aggregazione.
Per migliorare ulteriormente la forza del materiale, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata torsione ad alta pressione per comprimerlo.
“I risultati che abbiamo ottenuto fino ad ora sono semplicemente stati ottenuti graffiando la superficie del tesoro nascosto di una nuova classe di metalli con proprietà e funzionalità rivoluzionarie,” ha affermato Li.
Il nuovo metallo (più accuratamente chiamato metallo nanocomposto) è composta dal 14% circa di nanoparticelle di carburo di silicio e dall’86% di magnesio. I ricercatori hanno fatto notare che il magnesio è una risorsa abbondante e che il suo utilizzo su scala maggiore non causerà danni all’ambiente.
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Questa nuova tecnologia può rivoluzionare il modo mediante il quale archiviamo i dati, portando gli scienziati uno step più vicini alla creazione di un cervello bionico.
Scienziati della RMIT University in Australia hanno costruito un nuovo nano-dispositivo che farà da piattaforma per dispositivi di memoria di nuova generazione altamente stabili ed affidabili.
Esistono due tipi di memoria: quella volatile e quella non volatile. La memoria non volatile può accedere ai dati immagazzinati anche quando non alimentata, al momento la principale memoria non volatile da noi utilizzata è la memoria flash. Anche se questa tecnologia funziona bene, abbiamo raggiunto ormai limiti di scala difficili da superare per cercare di rendere questi dispositivi ancora più piccoli immagazzinando ancor più memoria.
Gli scienziati australiani hanno però creato una piattaforma per nuovi rivoluzionari nano-dispositivi che permetteranno ai computer di immagazzinare quantità significativamente maggiori di dati mimando la memoria umana.
Queste strutture impilate una sull’altra sono state create utilizzando una sottile pellicola, fatta di un ossido funzionale allo scopo 10.000 volte più sottile di un capello umano.
Dr Sharath Sriram
“Questa sottile pellicola è stata appositamente progettata per avere dei difetti nella sua chimica per dare luogo ad un effetto memristivo dove la memoria del comportamento dell’elemento è dipendente dalle sue esperienze passate.” ha dichiarato Sharath Sriram, il leader del progetto dell’RMIT, in una recente dichiarazione.
“Con la memoria flash che stà rapidamente raggiungendo i suoi limiti di scala, ci servono nuovi materiali e architetture per creare una nuova generazione di memoria non volatile.”
La tecnologia in questione fà affidamento sui memristori – un tipo di elemento circuitale ritenuto da molti esperti di tecnologia di gran lunga superiore alle attuali tecnologie alla base degli hard disk come Flash, SSD e DRAM.
Questi memristori hanno il potenziale per poter essere inclusi all’interno della memoria a stato solido non volatile, e potrebbero servire oltretutto come “mattoni” per la costruzione di computer capaci di mimare le azioni del cervello umano.
Questa tecnologia appena sviluppata è una delle piattaforme più promettenti per la creazione di queste strutture, potendo oltretutto essere utilizzate a temperatura ambiente.
“Queste strutture da noi sviluppate potranno venire utilizzate in un vasto range di applicazioni nell’elettronica – da dispositivi di memoria ultraveloci rimpiccioliti fino a pochi nanometri fino ad architetture logiche per computer che replicano la versatilità e i tempi di risposta di una rete neurale biologica.”
ha affermato Sriram.
“Anche se con molte altre ricerche ancora da fare, il nostro lavoro porta avanti la ricerca per una nuova tecnologia di nuova generazione che possa replicare le complesse funzioni di un sistema neurale umano, portandoci un passo più vicino al cervello bionico.”
I ricercatori hanno descritto il loro lavoro nel “journal Advanced Functional Materials” e credono nel fatto che la loro piattaforma non solo possa migliorare il campo dell’archiviazione dati, ma anche i dispositivi che processano il mondo attorno ad essi.
“I risultati ed il materiale usato sono fondamentali, in quanto lo stabile effetto memoria nasce dalle incredibilmente sottili vie nell’ossido, larghe appena 60 nanometri.” ha affermato Hussein Nili, ricercatore con PhD al RMIT autore dell’articolo.
“Esse posso anche venire sintonizzate e controllate tramite l’applicazione di pressione, fattore che apre nuove opportunità per l’utilizzo di questi elementi di memoria come sensori e attuatori.”
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Nei piani di HP una stampante che combina la stampa di vetro con quella di altri materiali, come indicato da una recente richiesta di personale.
HP non sembra contenta con la sola stampa 3D di materiali plastici. Un lavoro per un “esperto di robotica per stampa 3D” suona abbastanza normale finchè non approfondisci l’argomento e nel testo trovi questo:
HP Labs sezione ricerca nel campo della stampa di materiali inorganici stà lavorando sulla stampa ibrida di vetro (e altri materiali inorganici) in oggetti già prodotti su larga scala
La stampa 3d generalmente è riservata a materiali plastici e metallici. Sentir parlare di stampa di vetro risulta abbastanza inusuale. Ma HP ha sicuramente le sue ragioni. In accordo con un documento risalente al 2012 di HP Labs:
Dato che la terra è composta al 90% da minerali silicati, non ci sarà mai carenza di questo tipo di risorsa.Il vetro è facile da riciclare ed è amico dell’ambiente. Il vetro è economico ma ha un’apparenza elegante, è piacevole al tatto ed è così familiare da far si che i clienti non diano troppo peso alla sua fragilità – a certe condizioni.
Modelli 3d stampati in vetro
Esistono diversi metodi per produrre vetro, e questo documento indica che HP è interessata ad adattarne più di uno alle stampanti 3D. Le stampanti possono, per esempio, eliminare la necessità di uno stampo. Gli artigiani del vetro potrebbero usare una stampante 3D per creare un modello di vetro della complessità desiderata, e successivamente riscaldarlo in un forno.
Quello che non ci è completamente chiaro dell’annuncio è dove parla di “oggetti precedentemente prodotti in scala di massa”. Non è chiaro cosa voglia dire esattamente, ma viene in mente l’elettronica. La stampa 3D potrebbe provvedere ad un metodo relativamente economico di aggiungere vetro a modelli complessi.
HP è in procinto di lanciare la sua prima stampante 3D in Ottobre. Non ne sappiamo molto eccetto il fatto che sarà orientata al mercato business e porterà potenziale respiro all’azienda attualmente in difficoltà. Certamente non sarà una stampante per vetro. Questo progetto vivrà ancora a lungo solamente all’interno dei laboratori di HP.
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Negli impianti eolici in Nord America e Europa, eleganti turbine equipaggiate con tecnologia all’avanguardia convertono l’energia del vento in elettricità. Ma, all’interno di queste pale ingegnerizzate modernamente, c’è un cuore di materiale decisamente poco raffinato tecnologicamente parlando: legno di balsa. Come altri prodotti che utilizzano sandwitch di pannelli per raggiungere una combinazione di leggerezza e forza strutturale, le pale delle turbine contengono strisce di legno di balsa dall’Ecuador (che provvede alla soddisfazione del 95% della domanda mondiale di questo materiale) sapientemente allineate. Per secoli, l’albero della Balsa è stato ritenuto pregiato per la sua velocità di crescita (in 5 anni un albero è già pronto per essere abbattuto e lavorato N.d.T.), la sua leggerezza e la sua resistenza rapportata alla densità del legno. Per contro il legno di balsa risulta costoso e le naturali variazioni nella qualità del legno possono essere d’ostacolo nel raggiungere crescenti richieste di precisione in quanto a performance richieste nel campo dell’eolico ed altre sofisticate applicazioni.
A mano a mano che i produttori di turbine aumentano le dimensioni delle pale eoliche – la più grande al mondo ora misura 75 metri, come l’apertura alare di un aereo di linea Airbus A380 – esse devono anche essere ingegnerizzate per mantenersi libere dal bisogno di manutenzione per decine di anni. Per riuscire a soddisfare queste crescenti richieste di precisione, minor peso e consistenza qualitativa, i costruttori stanno ora ricercando nuovi materiali adatti allo scopo da impiegare.
Usando un cocktail di fibre rinforzate con resine epossidiche termoindurenti, combinate con tecniche di estrusione 3d gli scienziati dell'”Harvard School of Engineering and Applied Sciences” (SEAS) e del “Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering” hanno sviluppato un materiale cellulare composito con particolarità senza precedenti riguardo a leggerezza e rigidità. A causa delle sue proprietà meccaniche e del processo di produzione, questo nuovo materiale imita e migliora la balsa e, a detta dei ricercatori, supera anche il miglior polimero e i migliori composti polimerici stampati in 3d attualmente disponibili.
Un documento illustrante i risultati del team di ricerca è stato pubblicato online su “Advanced Materials”.
Fino ad oggi, la stampa 3d era stata utilizzata nel campo della termoplastica e delle UV – resine reticolabili – materiali che non sono considerati generalmente utili ingegneristicamente parlando per applicazioni strutturali. “Addentrandoci in una classe di materiali completamente nuova quali gli epossidici, apriamo nuovi vie che porteranno la stampa 3d ad essere efficacemente impiegata nella fabbricazione di strutture ultraleggere” ha affermato Jennifer A. Lewis, professore di Ingegneria Biologicamente Ispirata ad Harvard SEAS. “Essenzialmente, stiamo ampliando i materiali e i possibili campi di applicazione della stampa 3d.”
Il legno di balsa ha una struttura cellulare che minimizza il peso perchè la maggior parte dello spazio che occupa risulta vuoto, solamente le pareti cellulari sostengono il peso strutturale. Ha quindi un alta rigidità e forza specifica.” Spiega Luis, che oltre al suo ruolo ad Harvard è anche un membro facoltoso dell’Istituto Wyss. “Abbiamo preso in prestito quel design dalla natura e ne abbiamo creato un’altro composto ingegneristicamente.”
Lewis e Brett G. Compton, hanno sviluppato inchiostri di resina epossidica contenenti aumentatori di viscosità come piastrine di nanoargilla e un composto chiamato dimetil fosfato e riempitivi quali piccoli “baffi” di carbonato di silicio e fibre di carbonio. Il risultato è un inchiostro altamente fibroso che ha nella sua caratteristica chiave il poter essere facilmente controllato nell’orientamento delle fibre durante l’estrusione.
La direzione presa nel depositare il composto ne determina la forza (pensate alla facilità con cui si spezza un pezzo di legno in parallelo lungo le fibre piuttosto che perpendicolarmente contro il grano).
Luis e Compton hanno dimostrato che grazie alla loro tecnica si può ottenere un composto rigido come il legno, dalle 10 alle 20 volte più rigido dei normali polimeri utilizzati dalle stampanti 3d commerciali, e il doppio più forti dei migliori composti attualmente esistenti in questo campo. L’abilità nel controllare l’allineamento dei riempitivi permette a chi li produce di modificarne digitalmente la composizione controllandone la rigidità e tenacità a seconda del design di riferimento.
“Questo rende possibile, per la prima volta, la stampa 3d di strutture a nido d’ape formate da celle rinforzate con fibre” afferma Lorna Gibson, professoressa di scienze dei materiali e ingegneria meccanica al Massachusetts Institute of Technology, nonchè una dei più grandi esperti in composti a celle, seppur non fosse coinvolta in questa ricerca. “Particolarmente significante è il modo in cui le fibre possono venire allineate mediante il controllo della loro proporzione – intesa come lunghezza relativa al diametro – e il diametro dell’ugello utilizzato. Questo segna un importante passo avanti nel design ingegneristico di materiali che simulano il legno, ovunque conosciuto per le sue lodabili qualità meccaniche in rapporto al suo peso.”
“Ottenendo man mano maggior controllo nell’allineamento delle fibre ed imparando ad integrare meglio il loro orientamento in design efficienti possiamo ancora ottimizzare l’efficienza di questo materiale” ha aggiunto Compton, facente parte ora dello staff di ricerca al Laboratorio Nazionale di Oak Ridge. “Eventualmente, potremmo essere prossimamente capaci di cambiare il grado di allineamento e la composizione delle fibre riempitive in tempo reale durante la stampa.
Questo lavoro potrebbe trovare applicazione in molti campi inclusa l’industria automobilistica, dove i materiali leggeri sono una chiave nel raggiungimento di alti standard d’efficienza quanto a carburante consumato. Secondo una stima, tagliando anche solo 110 libbre di peso da ogni autoveicolo nel miliardo di autoveicoli presenti nelle strade del mondo produrrebbe un risparmio di 40 miliardi di dollari ogni anno.
La stampa 3d può trasformare radicalmente la produzione anche in altre vie. Lewis afferma che il prossimo passo consisterà nel testare resine termoindurenti per la creazione di diversi tipi di architettura includendo anche la tecnica di allineamento delle fibre precedentemente spiegata. Questo potrebbe portare in avanzamenti non solo nei materiali strutturali, ma anche nel campo dei composti conduttivi.
ive
Denis Gobbi
Lo Spirito Del Tempo 