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Molte forme energetiche ci circondano: luce solare, il riscaldamento delle nostre stanze o i movimenti che quotidianamente facciamo. Tutta questa energia, che normalmente viene “dispersa”, potrebbe essere sfruttata per alimentare dispositivi funzionali alle nostre vite.

Una delle sfide più importanti nel campo delle nanotecnologie è la produzione di dispositivi che siano in grado di autoalimentarsi senza dover necessariamente essere collegati ad un sistema esterno di ricarica delle batterie. Le diverse fonti rinnovabili di energia sono presenti ovunque nell’ambiente in cui viviamo e, attraverso la loro “cattura”, è possibile rispondere all’esigenza di autonomia energetica nell’utilizzo di nano-dispositivi. L’aspetto tecnologico non è il solo a ricoprire un ruolo importante ma – attraverso lo sfruttamento di energia termica, meccanica e fotovoltaica – è possibile rispondere ai bisogni di sostenibilità, ad oggi solo ecologica ma con sempre più evidenti risultati positivi anche per quella economica. Tuttavia, queste energie non sono sempre disponibili nello stesso momento, mostrando dipendenza dai cicli giorno/notte, dalle condizioni meteorologiche, condizioni di lavoro, ecc.

Cella a energia ibrida, un solo materiale

Il concetto di una cella a energia ibrida è di sviluppare una tecnologia capace di catturare simultaneamente e individualmente le energie sopramenzionate usando un sistema integrato, permettendo così al dispositivo di essere alimentato, sfruttando qualsiasi fonte energetica disponibile nel suo ambiente di lavoro.

Nel passato si è spesso ricorso allo stratagemma di utilizzare diversi materiali, in uno stesso congegno, ognuno dei quali dedicato ad una, massimo due, fonti di energia. In determinate situazioni, dove la richiesta di miniaturizzazione è particolarmente pressante, ciò non è praticabile con la conseguenza inevitabile della rinuncia allo sfruttamento di una o più fonti di energia. L’ideale sarebbe poter sviluppare un solo materiale che possa funzionare da fornitore di energia sostenibile sfruttando diverse fonti di energia.

Le perovskiti come soluzione unitaria

Possibili candidati capaci di assolvere a questo compito sono le perovskiti, che presentano contemporaneamente caratteristiche fisiche tipiche dei materiali ferroelettrici, piezoelettrici e piroelettrici. Negli ultimi anni, questi materiali hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica anche per applicazioni nel campo della produzione di energia attraverso il fotovoltaico. Il ricorso ad una opportuna ingegnerizzazione del materiale potrebbe dar origine ad un dispositivo capace di sfruttare differenti fonti di energia sostenibile presenti nell’ambiente per generare corrente elettrica.

Cristallo di perovskite
Disposizione spaziale degli atomi in una peroskite. Bianco-metallo di transizione, rosso; ossigeno, verde; alacalino-terroso.

Le perovskiti sono ossidi solidi con struttura ABO3 dove A è un catione (generalmente un alcalino-terroso) di grande raggio ionico mentre B è un catione di un metallo di transizione di medio o piccolo raggio ionico. Il primo ad essere stato scoperto è il CaTiO3, che è da considerarsi un apripista per una serie di composti tutti con una stessa particolarità: la somma del numero di ossidazione dei cationi è sempre +6. Nello spazio i singoli atomi si dispongono assumendo una struttura pseudo-cubica distorta. La disposizione spaziale e la composizione chimica conferiscono a questo materiale quelle proprietà fisiche molto interessanti per la realizzazione di un generatore di corrente elettrica da diverse fonti energetiche rinnovabili.

La ricerca finlandese

Un gruppo di scienziati della facoltà di Tecnologia dell’informazione e Ingegneria Elettronica dell’Università di Oulu in Finlandia ha ricercato, nella creazione di un nuovo composto chimico, la possibilità di poter sfruttare il maggior numero di fonti rinnovabili di energia attraverso l’impiego di un singolo materiale. Il punto di partenza è stato individuato proprio in alcune perovskiti alle quali sono state apportate opportune modifiche in termini strutturali e di composizione chimica.

Il team di ricerca finlandese ha quindi ingegnerizzato[1] il KBNNO, costituito da una soluzione solida di ossidi di KNbO3 di BaNi0,5Nb0.5O3-σ, dove σ indica le vacanze di ossigeno a seguito dell’aggiunta di bario e nichel (teoreticamente 0,25). Le evidenze ottenute dalle performance fotovoltaiche mostrano una forte variabilità del valore di bandgap (da 1,1 a 3,8 eV), differenza di potenziale tra banda di valenza e banda di conduzione, in funzione della concentrazione x nella soluzione [(1-x) KNbO3 x BaNi0,5Nb0.5O3-s].

Il valore ideale di bandgap per la luce visibile è di 1.39 eV e si ottiene quando x=0.1 (0,1KBNNO). Per ottenere il KBNNO è stato utilizzato un processo di sinterizzazione, trattamento termico-meccanico di materiali polverulento, per ottenere un solido indivisibile, a partire dalle polveri dei singoli ossidi (K2CO3, BaCO3, NiO, Nb2O5).  L’estrema complessità del materiale di partenza e la necessità del completo controllo della composizione chimica ha richiesto che la sinterizzazione fosse condotta con accuratezza a partire dalla fase di miscelazione delle polveri e realizzazione dei trattamenti termici e meccanici a medio/alte temperature e alte pressioni.

Importanza della composizione chimica

Nello studio pubblicato agli inizi di questo febbraio, il materiale descritto è stato investigato attraverso indagini strumentali delle sue proprietà ferroelettriche, piezoelettriche e piroelettriche al fine di verificarne la risposta alla richiesta di materiale capace da funzionare come generatore di energia ibrida.

La migliore risposta in termini di produzione di energia tramite fotovoltaico, come anticipato, è stato ottenuto per la soluzione solida 0,1 KBNNO. L’abilità di questo materiale di generare corrente elettrica attraverso sollecitazioni meccaniche o termiche in funzione della composizione chimica necessitava invece di approfondimenti strumentali. L’obiettivo che si vuole raggiungere è il bilanciamento di tutte le caratteristiche fisiche al fine di ottimizzare l’efficienza del materiale. È stato quindi realizzato e studiato anche un materiale la cui composizione differiva dalla precedente per una minore presenza del potassio (meno 11,1 % in moli), determinando, a causa della variazione stechiometrica, un aumento delle vacanze di ossigeno (di circa 3 volte) nella struttura della soluzione solida di ossidi.

Le evidenze strumentali ottenute in laboratorio non hanno riportato dei riscontri nelle singole caratteristiche fisiche superiori ai materiali appositamente preparati per rispondere univocamente alle richieste di ferroelettricità, piezoelettricità, piroelettricità o fotovoltaico. Tuttavia, il KBNNO prodotto dagli scienziati dell’Università di Oulu ha mostrato delle risposte soddisfacenti se sottoposto a variazioni di temperatura, di stress meccanico e se irraggiato da luce solare.

Il Prof. Bai, del team finlandese, sostiene [2]:

“è possibile che tutte queste proprietà possano essere variate sino ad ottenere un loro valore ottimale intervenendo sulla composizione e la preparazione del KBNNO, anche procedendo alla sostituzione con sodio del potassio”.

La produzione di un dispositivo funzionante è in programma entro l’anno e, poiché la produzione non presenta grandi difficoltà, e laddove si dovessero registrare risultati soddisfacenti, è possibile la commercializzazione nel giro di qualche anno.

Lo stesso scienziato prevede che

“questa scoperta fornirebbe una forte spinta verso lo sviluppo dell’Internet delle cose (IoT) e alle città intelligenti dove sarà possibile utilizzare sensori e dispositivi autoalimentati da energia sostenibile”.

I benefici legati a questa tecnologia possono interessare anche nostri devices liberandoci dal collegamento alla rete elettrica per ricaricare le batterie.

ilpositivismo.com

Fonti e approfondimenti

[1] http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4974735
[2] https://phys.org/news/2017-02-material-sunlight-movement-electricityall.html

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.