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Traduzione a cura di Denis Gobbi

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.

polimerobalsa

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.

estrusioneresina

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.

fibre riempitive

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.

Fonte: Seas.harvard.edu

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Traduzione a cura di Denis Gobbi

Darren Sun, capo ricercatore

Darren Sun, capo ricercatore

Dei ricercatori di Singapore hanno sviluppato un nuovo nanomateriale che funziona come il miglior coltellino svizzero del mondo. Il materiale, chiamato Biossido di Titanio Multi-Uso (TiO2) è in grado di produrre energia, generare idrogeno e pure acqua pulita. Ma non è tutto: questo materiale prodigioso può essere impiegato anche nella costruzione di celle solari flessibili ed è in grado di duplicare l’aspettativa di vita delle batterie a ioni di litio. Dotato di proprietà antibatteriche, può essere impiegato anche in nuove bende tecnologiche in ambito sanitario.

Il nuovo materiale messo appunto dall’Università della Tecnologia di Nanyang è stato prodotto trasformando del biossido di titanio in nano-fibre poi fatte disporre al fine di creare delle membrane filtranti flessibili. Il materiale speciale che sta al centro di tutto è il biossido di titanio, economico e abbondante in natura ha la proprietà di accelerare le reazioni chimiche e legarsi facilmente con l’acqua.

Per merito di quest’ultima capacità, questo materiale ha le potenzialità per poter realizzare osmosi inverse di elevata portata e desalinizzare l’acqua. Ma questa è solo una sue notevoli caratteristiche. In aggiunta alla produzione di acqua pulita,  secondo le dichiarazioni dei ricercatori questo materiale può anche produrre idrogeno se esposto alla luce solare nonché essere utilizzato nella produzione di celle solari flessibili e poco costose al fine di produrre elettricità.

Filtro flessibile di nanoparticelle di biossido di titanio

Filtro flessibile di nano-fibre di biossido di titanio

“Non esiste alcuna bacchetta magica per risolvere due delle più grandi sfide del mondo: energie rinnovabili a buon mercato e un abbondante approvvigionamento di acqua pulita, la nostra singola membrana multi-uso però ci va vicino, con le sue nanoparticelle di biossido di titanio è un catalizzatore chiave nella scoperta di soluzioni adatte”

ha affermato il capo ricercatore Darren Sun.

“Con il nostro nanomateriale unico, speriamo di poter dare una mano nella conversione dei rifiuti di oggi nelle risorse di un domani, come acqua pulita ed energia.”

Fonte: Inhabitat

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Traduzione a cura di Plesoianu Vlad, revisione di Gobbi Denis

130118064735-large-470x226Nell’ultimo numero di “Science” i ricercatori della Lund University in Svezia hanno mostrato come, con l’aiuto dei nanofili, potremmo avere celle solari più efficienti e molto meno costose. Borgström Magnus, il principale autore è un ricercatore in fisica dei semiconduttori. Egli afferma che i loro risultati sono i primi a dimostrare come sia davvero possibile utilizzare nanofili per la fabbricazione di celle solari. La ricerca di celle solari costituite da nanofili è in aumento a livello globale. Fino ad  ora si puntava a raggiungere il 10% di efficienza, considerata una cifra da sogno. Ora però il Dr. Borgström e il suo team sono capaci di segnalare un rendimento del 13,8 %. Tutto questo perché i nanofili sono costruiti con un materiale semiconduttore chiamato fosfuro di indio il quale fa si che questi lavorino come antenne assorbendo la luce solare e trasformandola in energia. I nano-fili sono montati su superfici di un millimetro quadrato, ciò fa si che ogni casa abbia fino a 4 milioni di nanofili. Una cella solare costituita da nanofili e in grado di produrre svariate volte più energia rispetto ad una cella solare di silicio moderna.

Le celle solari costituite da nanofili non hanno ancora oltrepassato il confine del laboratorio, ma il piano è che la tecnologia potrebbe essere utilizzata in grandi centrali elettriche solari in regioni soleggiate come il sud-ovest degli Stati Uniti d’America, in Spagna meridionale e in Africa.

I ricercatori della Lund University sono riusciti ad individuare il diametro ideale dei nanofili e un metodo per sintetizzarli. Magnus Borgström spiega che per i nanofili la misura giusta è essenziale per poter assorbire più fotoni possibili, se sono solo 10 decimi di nanometro più piccoli la loro funzione risulta significativamente compromessa.

sunpower_mainLe celle solari al silicio utilizzate per fornire elettricità ad uso domestico sono relativamente economiche però inefficienti dato che sono solo in grado di utilizzare una parte limitata della luce solare, la ragione di questo è che un singolo materiale può assorbire solo parte dello spettro della luce.

Una ricerca effettuata contemporaneamente a quella sui nanofili mirava a combinare diversi tipi di materiali semiconduttori al fine di ottenere un uso efficiente e più ampio dello spettro solare. Lo svantaggio di questo e che diventavano estremamente costosi a tal punto da poter essere utilizzati solamente in contesti molto ristretti quali satelliti e aerei militari.

Tuttavia, questo non è il caso dei nanofili. Grazie alle loro piccole dimensioni lo stesso tipo di combinazioni di materiali possono essere create con molto meno sforzo, offrendo molta più efficienza. In questo articolo di “Science”, i ricercatori hanno dimostrato che i nanofili possono generare energia allo stesso livello dei materiali senza nanofili con solo il 10% dello spazio occupato.

La ricerca è stata svolta nell’ambito di un progetto finanziato dall’UE, Amon-Ra, coordinato da Knut Deppert, professore di fisica dell’Università di Lund che dichiara:

“In qualità di coordinatore del progetto, sono molto orgoglioso di un tale grande risultato. Ha ampiamente superato le nostre aspettative Noi, naturalmente, continueremo la ricerca sulle celle solari con nanofili sperando di raggiungere un livello ancora più elevato di efficienza rispetto al 13.8 per cento ottenuto al momento”

Fonte: Science Daily

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Traduzione a cura di Francesco Manghi 

I ricercatori dell’Idaho National Laboratory, insieme con i partner a Microcontinuum Inc. (Cambridge, MA) e Patrick Pinhero dell’Università del Missouri, stanno sviluppando un nuovo modo per raccogliere l’energia dal sole con una tecnologia che potrebbe costare pochi centesimi al metro, essere stampato su materiali flessibili e ancora trarre energia anche dopo il tramonto del sole.
Il nuovo approccio, che ha ottenuto due premi Nano50 2007, utilizza un processo di fabbricazione speciale per stampare piccoli anelli di metallo conduttori dentro a un foglio di plastica. Ogni “nanoantenna” è larga come 1/25 del diametro di un capello umano.
A causa delle loro dimensioni, le nanoantenne sono in grado di assorbire energia nella parte infrarossa dello spettro, appena fuori della gamma del visibile dall’occhio umano. Il sole irradia molta energia infrarossa, parte della quale è assorbita dalla terra e poi rilasciata come radiazione per ore dopo il tramonto. Le nanoantenne sono in grado di assorbire energia sia dalla luce solare che dal calore della terra, con una maggiore efficienza rispetto alle celle solari.
“Penso che queste antenne abbiano davvero il potenziale per sostituire i tradizionali pannelli solari”, dice il fisico Steven Novack, che ha parlato della tecnologia nel mese di novembre durante la Conferenza Nazionale di Nanoingegneria a Boston.
Prendendo antenne a livello atomico, i minuscoli circuiti assorbono energia proprio come l’antenna del televisore o del telefono cellulare. Tutte le antenne funzionano per risonanza, lo stesso fenomeno fisico auto-rinforzante che permette a una nota alta a frantumare il vetro. Le antenne delle radio e delle televisioni devono essere grandi a causa della lunghezza d’onda dell’energia che hanno bisogno per intercettare. In teoria, facendo antenne in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica più vicina a quella che possiamo vedere è semplice: basta progettare un’antenna più piccola.

Ma trovare un modo efficace per stampare le matrici in scala atomica ha impegnato i ricercatori per un certo numero di anni. “Non è che questo concetto sia nuovo,” afferma Novack, “ma il boom nel campo delle nanotecnologie è quello che ha davvero reso possibile tutto questo.” Il team INL prevede che le antenne possano un giorno essere prodotte come un foglio o pellicola trasparente su macchine a rulli. Fino ad ora hanno testato un processo di imprinting con timbri circolari da sei pollici, ciascuno in possesso di oltre 10 milioni di antenne.
Non è stato immediatamente evidente quali strutture potessero essere utilizzate per l’energia solare. In un primo momento, i ricercatori hanno considerato l’accoppiamento tra antenne tradizionali e celle solari, per rendere queste ultime più efficienti. “Poi abbiamo pensato di ripartire da zero”, dice Novack. “Ci siamo resi conto che avremmo potuto rendere le antenne macchine per la raccolta energetica.”

Un’alternativa economica.

I pannelli solari commerciali solitamente sono in grado di convertire meno del 20% dell’ energia utilizzabile che li colpisce per trasformarla in energia elettrica. Ogni cella è fatto di silicio drogato con elementi diversi per aumentarne l’efficienza. “L’offerta di silicio trasformato è ridotta, e diventa sempre più costoso”, dice Novack.
Spera che lenanoantenne solari siano un’alternativa più efficiente e sostenibile.
Il team stima che le singole nanoantenne siano in grado di assorbire circa l’80% dell’energia disponibile. Gli stessi circuiti possono essere realizzati in una serie di diversi metalli conduttori, e le nanoantenne possono essere stampate su materiali sottili e flessibili come il polietilene, una plastica che è comunemente usata per i sacchetti di plastica e gli involucri. In effetti, la squadra all’inizio ha stampato antenne su sacchetti di plastica utilizzati per consegnare il Wall Street Journal, solo perché avevano il giusto spessore.
Focalizzando l’attenzione su materiali facilmente reperibili e la produzione rapida dall’inizio, dice Novack, l’obiettivo è quello di rendere i fogli di nanoantenne commerciabili a un prezzo basso, come un tappeto poco costoso.

Messa a punto di strutture sottili.

Il ricercatore Steven Novack mostra un foglio plastico di nanoantenne. Ogni quadrato ne contiene circa 260 milioni. Solitamente nella ricerca e sviluppo della nanotecnologia i prototipi vengono realizzati nella scala del centimetro, ma questo processo di manifattura brevettato dimostra come le caratteristiche in nano-scala del progetto possano essere riprodotte su grandi volumi.

Il vero trucco per creare i pannelli solari a nanoantenne è quello di essere in grado di prevedere le loro proprietà e perfezionare il loro design prima di stamparle in fabbrica. Mentre è relativamente facile da risolvere la fisica di una antenna risonante, complesse interazioni iniziano ad accadere quando si combinano più antenne. Quando sono colpite con la giusta frequenza di luce infrarossa, le antenne producono campi elettromagnetici ad alta energia che possono avere effetti inattesi sui materiali.
Così i ricercatori stanno sviluppando un modello al computer di risonanza nelle piccole strutture, alla ricerca di modi per ottimizzare l’efficienza di un intero array modificando fattori come i materiali e la forma dell’antenna. “La capacità di modellare queste antenne è quello che puù garantirci il successo, perché non possiamo vedere queste cose”, dice Novack. “Sono difficili da manipolare, e piccole modifiche possono comportare grandi differenze.”

Un futuro carico.

Un serie di anelli di nanoantenne, impressa su plastica e ripresa con un microscopio elettronico a scansione. Il filo impiegato è spesso circa 200 nanometri.

Un giorno, secondo Novack, questi collettori a nanoantenne potrebbero caricare batterie portatili, coprire i tetti delle case e, forse, anche essere integrati inei tessuti di poliestere. Pannelli bifoderati potrebbero assorbire un ampio spettro di energia dal sole durante il giorno, mentre l’altro lato può essere progettato per assorbire la frequenza minore di energia prodotta dal calore irradiato della terra.
Mentre le nanoantenne possono essere facilmente lavorate, una parte cruciale del processo deve ancora essere pienamente sviluppato: la creazione di un modo per memorizzare o trasmettere l’elettricità. Sebbene raggi infrarossi possano creare una corrente alternata nella nanoantenna, la frequenza della corrente attuale và avanti e indietro 10.000 miliardi di volte al secondo. E ‘troppo veloce per gli elettrodomestici, che operano sulle correnti che oscillano solo 60 volte al secondo. Così il team sta studiando un modo per rallentare il ciclo, eventualmente inserendo dispositivi di conversione dell’energia come piccoli condensatori direttamente nella struttura dell’ antenna come parte del processo di stampa delle stesse.

I ricercatori INL Dale Kotter (a sinistra), Steven Novack, e Judy Partin stanno sviluppando fogli di plastica flessibili di nanoantenne per raccogliere l’energia solare.

“A questo punto, queste antenne sono utili a catturare l’energia, ma non sono capaci di convertirla”, dice INL ingegnere Dale Kotter, “ma c’è una ricerca esplorativa molto promettente in corso.” Kotter e Novack stanno anche studiando un modo per trasformare l’alta frequenza di corrente alternata (AC) in corrente continua (DC), che può essere immagazzinata in batterie. Una possibilità è di creare antenne con una forma a spirale e introdurre raddrizzatori ad alta velocità o diodi speciali, al fine di convertire l’energia elettrica da AC a DC. Il team ha richiesto il brevetto su una varietà potenziale di metodi di conversione di energia. Siamo a soli pochi anni di distanza dalla creazione di una nuova generazione di collettori di energia solare.

Fonti:  inlportal

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Traduzione a cura di Daniel Iversen e Maurizio Bisogni

E’ in corso di sviluppo un piccolo robot che funziona come una creatura vivente e che un giorno potrebbe essere tranquillamente utilizzato per individuare malattie all’interno del corpo umano.

Chiamato “Cyberplasm” , sarà un unione di microelettronica avanzata con alcune delle più recenti ricerche in bio-mimicry (tecnologia ispirata dalla natura). L’obiettivo fissato per questo nuovo tipo di robot è di dotarlo di un sistema nervoso elettronico, insieme a sensori con caratteristiche di occhi e naso così come muscoli artificiali che utilizzano il glucosio come fonte di energia per fornire propulsione.L’intenzione è di ingegnerizzare e integrare componenti robotizzati che agiscano in base alla luce e ai processi chimici nello stesso modo dei sistemi biologici, con un approccio quindi completamente innovativo nel mondo della robotica.

Il “Cyberplasm” è stato sviluppato nel corso degli ultimi 5 anni da parte di una collaborazione internazionale finanziata dal EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council) nel Regno Unito e dal National Science Foundation (NSF) negli Stati Uniti.
La parte del lavoro inglese si sta svolgendo alla Newcastle University. Il progetto è nato da uno spunto (sessione di raccolta idee) preso da una ricerca di biologia sintetica finanziata in maniera congiunta dalle due organizzazioni.

Il robot sarà progettato sulla base delle funzioni chiave della lampreda marina, un pesce anguilliforme che si trova principalmente nell’Oceano Atlantico. Si ritiene che con questo tipo di approccio il micro-robot sarà molto più sensibile e risponderà più facilmente nell’ambiente in cui verrà immesso. Futuri utilizzi potrebbero includere la capacità di nuotare nel corpo umano per rilevare una serie di malattie.

La lampreda di mare ha un sistema nervoso molto primitivo e che quindi è molto più facile da imitare rispetto a quelli più sofisticati. Questo, insieme al fatto che si tratta di una abile nuotatrice, fa della lampreda il miglior candidato per il progetto “Cyberplasm”.

Una volta sviluppato, il prototipo del Cyberplasm sarà lungo meno di 1 cm, mentre versioni più aggiornate potrebbero essere lunghe meno di 1 mm, o magari realizzati in nanoscala.

“Niente batte la naturale abilità di vedere e annusare l’ambiente di una creatura vivente, che poi raccoglie i dati sulle variazioni dello stesso” spiega il bioingegnere Dr Daniel Frankel della Newcastle University, a capo del team inglese.

Attualmente si stanno sviluppando i sensori del Cyberplasm che serviranno a captare gli stimoli esterni per convertirli in impulsi elettrici che verranno poi mandati a un “cervello” elettronico equipaggiato con sofisticati microchips. Questo “cervello” manderà poi messaggi elettronici a muscoli artificiali  regolandone la contrazione e il rilassamento, dando quindi al robot la possibilità di muoversi nell’ambiente con un moto ondulatorio.

In modo simile, i dati della composizione chimica dell’ambiente circostante possono essere raccolti ed immagazzinati per un successivo recupero da parte degli operatori.

Il Cyberplasm rappresenta un primo passo sulla strada di importanti sviluppi scientifici nel campo delle protesi dove tessuti muscolari potrebbero essere ingegnerizzati per contrarsi ed estendersi in risposta a stimoli di onde luminose o segnali elettronici.

“Stiamo attualmente sviluppando e testando i singoli componenti del Cyberplasm”, dice Daniel Frankel. “Speriamo di arrivare alla fase di montaggio entro un paio di anni. Crediamo che il Cyberplasm potrà cominciare ad essere utilizzato entro cinque anni”.

Fonte: Science Daily

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