Archivio per la categoria Materiali

Polimeri camaleonte: una tecnolologia emergente con grandi opportunità industriali

La galassia dei polimeri camaleonte (Fonte: Nature.com)

Recentemente una nuova categoria di materiali plastici sta catturato l’attenzione delle principali società globali di consulenza, come ad esempio Frost &Sullivan. Si tratta dei  “polimeri camaleonte”, noti anche come SRP (Stimuli Responsive Polymers), materiali plastici in grado di rispondere a diverse sollecitazioni ambientali in maniera reversibile. In altre parole, le catene polimeriche che costituiscono questi materiali possono cambiare la loro disposizione spaziale in base a variazioni ambientali di temperatura, pH, forza ionica e presenza di campi elettromagnetici, luce, ultrasuoni, composti chimici. Tuttavia, la caratteristica che rende maggiormente interessanti questi polimeri per il mondo industriale è data dal fatto che i cambiamenti a cui sono soggetti sono del tutto reversibili; il polimero camaleonte, proprio come l’animale da cui prende il nome, si adatta agli stimoli ambientali cambiando il proprio aspetto esterno, ma una volta terminato lo stimolo è  in grado di recuperare completamente l’assetto iniziale delle  macromolecole di cui è costituito.

Quali potrebbero essere dunque le prossime applicazioni di questa tecnologia emergente? Nell’immediato, alcuni di questi polimeri  potranno essere utilizzati per realizzare prodotti con proprietà variabili di  impermebilità, sporcabilità ed assorbimento (ad esempio nei cosiddetti tessuti intelligenti), ma anche  prodotti con caratteristiche adesive e proprietà meccaniche ed ottiche calibrabili. Inoltre, la capacità di questi polimeri di adattarsi in maniera predittiva in funzione di determinati stimoli esterni sarà sempre più determinante per lo sviluppo di sistemi di somministrazione mirata dei farmaci ed altre applicazioni biomedicali. In un futuro un po’ più lontano, invece, a detta di quotati analisti come Frost & Sullivan, ciò  che renderà particolarmente interessanti i polimeri camaleonte sarà soprattutto l’opportunità di convergenza con  altre tecnologie emergenti in diversi settori industriali. Una delle sinergie più interessanti potrebbe essere rappresentata dagli organi auto-rigeneranti, il cui sviluppo potrebbe diventare realtà già nei prossimi decenni grazie alla convergenza delle seguenti tecnologie: polimeri camaleonte,  fibre di carbonio e stampa 3D. La presenza di polimeri camaleonte ingegnerizzati in modo da auto-rigenerarsi in caso di danno o usura potrà infatti ridurre drasticamente la percentuale di rigetto dei tessuti, rendendo compatibili gli organi artificiali con l’ambiente caratteristico del corpo umano.

Alcune aziende come Fuji Xerox (JP), Landec Corp (USA), Textronics (USA) e Vivamer (UK) stanno attualmente sviluppando specifici polimeri camaleonte per applicazioni che spaziano dall’elettronica all’automotive, fino alla cura della persona e allo sviluppo di dispositivi biomedicali. La gamma dei polimeri camaleonte in fase avanzata di sviluppo e prima commercializzazione comprende sia polimeri sintetici (es. PNIPAM, PMMA, PMA opportunamente modificati), che biopolimeri derivati dalle proteine e sistemi ibridi. Infine, l’importante attività di ricerca condotta da università come il MIT – Massachusetts Institute of Technology (USA), la Case Western Reserve University (USA), la Cambridge University (UK) e il Tokyo Institute of Technology (JP),  testimonia il grande interesse della comunità scientifica internazionale nei riguardi di questa tecnologia.

Fonti:

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Horizon 2020 per le Imprese Manifatturiere: Focus su NMP – Nanotechnologies, Advanced Materials and Production

Il prossimo Giovedì 18 settembre 2014 – ore 14.30-17.30 nella sede di  CRIT a Vignola (MO) , verranno illustrate le opportunità offerte da Horizon 2020 sul tema NMP – Nanotechnologies, Advanced Materials and Production per il biennio 2014-2015.

Horizon 2020 è il nuovo programma di finanziamento dell’Unione Europea per la ricerca e l’innovazione per il periodo 2014 – 2020. Oltre a stimolare la ricerca eccellente in Europa, il programma si propone di accrescere la competitività delle imprese, in particolare PMI.
L’incontro intende presentare, nello specifico, le opportunità offerte dai nuovi bandi per il biennio 2014-2015 sul tema NMP nei tre pilastri in cui si articola Horizon 2020: Eccellenza Scientifica, Leadership Industriale, Sfide Sociali.
Saranno illustrate la struttura e le regole di partecipazione, i servizi e le competenze a supporto del territorio e la testimonianza di un’impresa beneficiaria.
L’evento, realizzato nell’ambito dell’iniziativa Dai Distretti Produttivi al Distretti Tecnologici – 2, è finanziato da Regione Emilia Romagna e dal Ministero dello Sviluppo Economico, ed è organizzato da ASTER con la collaborazione di CRIT.
Programma:
  • ore 14.30 – Registrazione
  • Introduce e modera i lavori Paolo Canonico – ASTER, Cabina di regia Distretti 2
  • Horizon 2020 e i servizi a supporto della partecipazione delle imprese in Emilia-Romagna -Alessandra Borgatti – ASTER, Responsabile Sportello APRE Emilia-Romagna
  • L’esperienza di un’impresa nel Programma Quadro – Stefano Minguzzi – R&D Financial & Project Management di Marposs Spa
  • NMP in Horizon 2020 - Martina Desole – National Contact Point NMP di APRE, Agenzia per la promozione della ricerca europea
  • Domande dalla sala
  • ore 17.30 – Chiusura lavori

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Facilitating Sanitation with Appropriate Surface Coatings

Taken from WikipediaSanitation is a key issue in critical areas as present in hospitals, medical practices or aseptic machinery just to name a few. Traditionally, disinfection or sterilization are guaranteed by defined cleaning procedures. In the recent years progress in especially the nano-, bio- and coating technologies have put forward strategies aimed on improving the efficacy of cleaning by designing self-cleaning, anti-sticking or antimicrobial surfaces. These coatings have already found application in daily life including items such as clothes and linen, furniture, clinical equipment, hand-touch sites, stationary, plastic items, electronic equipment and general surfaces such floors, walls and doors.

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Fotovoltaico di terza generazione: un nuovo processo migliora l’efficienza delle celle di Grätzel.

DSSC

Funzionamento schematico di una cella di Gratzel

I ricercatori del Politecnico di Losanna EPFL hanno sviluppato un processo in grado di aumentare drasticamente l’efficienza delle celle fotovoltaiche di Grätzel.
Le celle di Grätzel o celle DSSC (Dye-sensitized solar cells) sono celle fotoelettrochimiche che sfruttano la capacità di assorbimento della luce da parte di coloranti metallo-organici e pigmenti fotosensibili. Le moderne  DSSC sono costituite essenzialmente da un elettrodo trasparente di vetro conduttore rivestito di uno strato di materiale nanocristallino mesoporoso, tipicamente biossido di titanio TiO2; le nanoparticelle sono a loro volta ricoperte da un materiale attivo costituito da un colorante molecolare (dye) che assorbe la luce del sole, con un meccanismo simile a quello della fotosintesi clorofilliana. Il sistema è completato da un contro-elettrodo costituito da un vetro conduttivo rivestito da un sottile film di Platino, e da un elettrolita, generalmente liquido e contenente la coppia redox I-/I3- (ioduro/triioduro).

Le DSSC presentano molti vantaggi se comparate alle tradizionali celle fotovoltaiche a base di silicio:  i maggiori punti di forza di questi dispositivi sono la trasparenza, il costo relativamente ridotto e l’elevata efficienza di conversione energetica in caso di clima nuvoloso o illuminazione artificiale. Tuttavia, fino a questo momento la diffusione delle celle DSSC è stata penalizzata dalla scarsa efficienza energetica complessiva, dovuta principalmente alla perdita di voltaggio intrinseca causata dai meccanismi di degrado del colorante.

In una recente pubblicazione apparsa sulla rivista Nature, gli scienziati della EPFL, guidatii dallo stesso Prof. M. Grätzel, hanno rivelato di aver sviluppato una versione di celle DSSC allo stato solido in grado di raggiungere un’efficienza del 15% senza perdita di stabilità fotoelettrochimica. Le nuove celle DSCC sono realizzate con un innovativo processo a due fasi che ottimizza l’impiego di un materiale composito inorganico-organico come colorante fotosensibile. Il materiale è costituito da un minerale a struttura tipo perovskite che svolge la funzione di immagazzinare la luce, e da un materiale organico in grado di trasportare le lacune elettroniche in sostituzione dell’elettrolita (hole transport material – HTM).

Le celle solari DSSC di questo tipo sviluppate in precedenza presentavano scarsi valori di efficienza a causa della variabilità dimensionale delle particelle di materiale colorante depositate sul biossido di titanio. I ricercatori dell’EPFL hanno risolto questo problema attraverso un processo a due fasi, in cui prima si deposita la parte inorganica del materiale fotoreattivo sulle nanoparticelle di TiO2, e successivamente queste vengono immerse in una soluzione contenete la restante componente organica. Quando le due componenti organica e inorganica vengono a contatto, esse reagiscono tra di loro stabilizzandosi nel dye composito, dando forma a uno strato a morfologia controllata in grado di garantire elevati livelli di efficienza di conversione fotovoltaica.

Secondo il team di Grätzel, questo innovativo processo aprirà una nuova era per lo sviluppo delle celle solari DSSC, rendendole competitive con i migliori pannelli fotovoltaici a film sottile attualmente presenti in commercio.

Fonti: Sciencedaily, Tech-on.

Leggi anche: Principali trend brevettuali nel settore dei pannelli fotovoltaici

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Il grafene apre la strada a una nuova generazione di celle solari

La prossima generazione di celle solari e dispositivi optoelettronici sarà realizzata impilando fogli di grafene con altri strati sottili ottenuti da diversi elementi chimici. Gli scienziati della Università di Manchester e della Università Nazionale di Singapore sono pronti a scommetterci: la costruzione di strutture tridimensionali costituite da diversi strati monoatomici, in breve tempo permetterà la realizzazione di dispositivi elettronici del tutto innovativi e con proprietà davvero sorprendenti.

Secondo quanto pubblicato dalla prestigiosa rivista Science, questa scoperta rappresenta una vera e propria svolta epocale. A titolo di esempio, i nuovi materiali permetteranno di ottenere l’energia elettrica necessaria per la gestione di un intero edificio semplicemente trasformando l’energia solare assorbita dai muri esposti alla luce: in più, l’energia raccolta potrà essere utilizzata a piacimento per modulare la trasparenza e la riflettività delle finestre, in base al variare di condizioni climatiche esterne come  temperatura e luminosità.

Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni, che nel 2010 sono valse il premio Nobel ai due fisici Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester, hanno aperto la strada allo studio di una intera famiglia di materiali costituiti da strati monoatomici. In generale, questi cristalli bidimensionali presentano una vasto range di proprietà eccezionali, che spaziano dalla conducibilità all’isolamento, dalla opacità alla trasparenza, ecc. Impilando diversi strati monoatomici è possibile realizzare materiali che accorpano le specifiche proprietà dei diversi strati monoatomici, motivo per cui gli scienziati ritengono che queste eterostrutture abbiano le potenzialità per realizzare i dispositivi elettronici del futuro.

Attualmente i ricercatori di Manchester e Singapore stanno lavorando alla combinazione di diversi cristalli bidimensionali, al fine di raggiungere funzionalità non altrimenti conseguibili dai singoli materiali, ma tali da renderli idonei alla realizzazione di dispositivi per l’optoelettronica e la fotonica. Combinando uno strato di grafene con uno o più strati moatomici di altri materiali, nello specifico dicalcogenuri di metalli di transizione (Transition Metal Dichalcogenides – TMDC), i ricercatori potranno realizzare dispositivi fotovoltaici estremamente sensibili ed efficienti. I primi risultati ottenuti dall’attività sperimentale sono stati infatti talmente promettenti da far ipotizzare a breve termine la realizzazione di fotorilevatori ultrasensibili e celle fotovoltaiche particolarmente efficienti.

Gli strati TMDC presentano infatti ottime proprietà di assorbimento della luce, mentre gli strati di grafene agiscono come strati conduttivi trasparenti. I primi dispositivi realizzati, pur essendo ancora nella fase prototipale, hanno dimostrato da subito funzionalità sorprendenti: per questo motivo i ricercatori dell’Università di Manchester si aspettano di ampliare al più presto le librerie di cristalli bidimensionali a loro disposizione, in modo da realizzare in breve tempo una nuova generazione di dispositivi in grado di rivoluzionare il mondo dell’elettronica.

Fonte e immagine: University of Manchester

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Future Applications of Graphene

Artistic representation of a corrugated graphene sheet (credits Jannik Meyer).

In a recent article published in Nature an international team of authors, comprising the Nobel Prize-winner Kostya Novoselov, originating from the University of Manchester, Lancaster University, Texas Instruments Incorporated, AstraZeneca, BASF and  Samsung Advanced Institute of Technology has described their view on where future applications of graphene may lie in. Prosegui la lettura »

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Convegno Club degli Innovatori, illustrate alle aziende le nuove frontiere dell’acciaio inossidabile

Convegno Acciai

Convegno Acciai Inossidabili Innovativi - Confindustria Modena 27/09/2012

Si è svolto ieri presso la sede di Confindustria Modena il Convegno sugli Acciai Inossidabili Innovativi, organizzato dal Club degli Innovatori di Confindustria Modena in collaborazione con Crit Research.

L’incontro, che aveva lo scopo di approfondire le recenti evoluzioni nello sviluppo degli acciai inossidabili, ha visto la partecipazione di oltre cinquanta persone appartenenti a più di trenta imprese.

Dopo i saluti della vicepresidente di Confindustria Modena Roberta Caprari e del presidente di Crit Research Federico Corradini, la tematica del convegno è stata introdotta dalla presentazione di Gianvincenzo Salamone (Thyssenkrupp Acciai Speciali Terni) sulle caratteristiche e proprietà degli acciai superferritici, e successivamente approfondita dalla presentazione di Fabrizio Casadei (Centro Sviluppo Materiali) sulla qualificazione tecnologica e l’application engineering.

ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni ha infatti realizzato, attraverso la collaborazione con Centro Sviluppo Materiali, una nuova serie di acciai inossidabili ferritici ad elevato contenuto di cromo e bassissimo tenore di carbonio – appartenente alla famiglia dei “superferritici”- in grado di rappresentare una valida alternativa ai convenzionali gradi austenitici per quelle applicazioni in cui è determinante la resistenza alla corrosione. Gli acciai superferritici assicurano infatti un’elevata resistenza alla corrosione generalizzata e localizzata, anche allo stato saldato. L’assenza di elementi costosi e dalla quotazione volatile, quali Ni e Mo, garantisce inoltre convenienza e stabilità di prezzo rispetto ai gradi inossidabili austenitici convenzionali, quali 304 e 316L.

In conclusione, sono state riportate due interessanti esperienze aziendali per la possibile sostituzione degli acciai austenitici con gli innovativi acciai superferritici.  Il primo intervento, realizzato da Manuela Franchi di Tetra Pak Packaging Solutions Spa, ha illustrato l’attività di analisi condotta dall’azienda  per esplorare la possibilità di utilizzare questi acciai innovativi in ambito food; la seconda testimonianza, riportata da Carlo Ferrari e  Alessandro Zerbini di Wittur Spa, ha messo in evidenza una serie di test condotti dall’azienda per validare l’impiego di tali materiali per applicazioni in campo ascensoristico.

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Biomimesi: produrre idrogeno ispirandosi alla struttura delle ali di farfalla

Biomimesi delle nanostrutture presenti sulle ali delle farfalle per la realizzazione di collettori solari fotocatalitici a base di biossido di titanio (fonte: American Chemical Society)

Le ali delle farfalle sono tra le strutture più delicate presenti in natura, ma hanno anche proprietà strutturali così sofisticate da ispirare lo sviluppo di una nuova tecnologia per produrre gas idrogeno a partire da acqua e luce solare. La ricerca è condotta dalla università cinese Shanghai Jiao Tong University, e promette di sviluppare un dispositivo in grado di raddoppiare la produzione di idrogeno rispetto a quelli attualmente disponibili. Per realizzarlo, i ricercatori, coordinati dal Prof. Tongxiang Fan, hanno preso a modello due specie di farfalle dalle ali prevalentemente nere, la Troides Aeacus e la Papilio Helenus Linnaeus, conosciuta anche come Red Helen.

È noto che la produzione di idrogeno gassoso a partire dalla luce solare e dall’acqua è possibile attraverso dispositivi con proprietà fotocatalitiche, i quali utilizzano la luce per attivare materiali catalizzatori in grado di scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. La chiave per rendere questa tecnologia più applicabile, secondo il team di Fan, è lo sviluppo di collettori solari in grado di immagazzinare energia e mantenere stabili le caratteristiche termodinamiche del processo fotocatalitico. L’idea di ispirarsi alle ali nere della farfalla nasce proprio dall’osservazione della loro funzione di collettore solare naturale: è proprio grazie alle ali, infatti, che le farfalle che riescono a sopravvivere anche quando fa freddo, dato che esse non possono generare abbastanza calore dal loro metabolismo. Studiando nei dettagli le piccole scaglie presenti sulle ali nere delle farfalle, i ricercatori della Shanghai Jiao Tong University hanno sviluppato collettori solari che raccolgono l’energia solare da utilizzare successivamente nella fotocatalisi. L’architettura delle scaglie, rilevata al microscopio elettronico, mostra come queste siano disposte sulle ali in modo simile alle tegole sul tetto di una casa. In pratica, le micro-scaglie formano dei rilievi e presentano dei fori molto piccoli su entrambi i lati, con un’apertura sullo strato sottostante. La presenza di questi rilievi, secondo i ricercatori, ha un duplice effetto: permette alla luce diretta, caratterizzata da basse lunghezze d’onda, di incanalarsi nei fori e raggiungere gli strati sottostanti, ma consente anche di sfruttare le componenti della luce caratterizzate da lunghezze d’onda maggiori, le quali possono essere assorbite dalle pareti a tunnel presenti nelle micro-scaglie.
Per imitare al meglio queste strutture, i ricercatori hanno pensato di utilizzare il biossido di titanio, uno dei materiali fotocatalitici più noti. I dispositivi realizzati contengono biossido di titanio e nanoparticelle di platino, e possono funzionare sia come collettori solari che come fotocatalizzatori. In questo modo, secondo il team guidato da Fan, è teoricamente possibile raddoppiare la produzione di idrogeno rispetto ai comuni dispositivi. Il gruppo di ricerca sta attualmente concentrando i propri studi sulle diverse architetture gerarchiche presenti in natura, in modo da trarne fonte di ispirazione per lo sviluppo di nuove nanostrutture fotocatalitiche.

Fonte: ScienceDaily

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Significant Improvements of Single-Junction Solar Cell Efficiency

Hybrid Solar Cell: The hybrid concept is based on using pentacene and lead sulfide nanocrystals (source: Ehrler et al.).

Researchers from Cambridge University have published a work in which they describe an organic/inorganic solar cell design aimed on significantly improving the efficiency of single-junction solar cells. The design is intended to allow photocurrent harvesting from a broader wavelength range.

Following the Shockley-Queisser limit the efficiency of single-junction silicon solar cells is limited to a value of about 34 %. This value is rationalized by principle physical considerations considering black body radiation, recombination effects and spectrum losses. The latter effect plays the most crucial role. The traditional solar cell design does not allow to use the infrared wavelength regime of sun which, however, carries a significant amount of the sun light’s energy. On the other side design strategies relying on nanocrystals which permit photocurrent harvesting from infrared radiation are not able to convert energy transported in the UV and visible light range. Additional practical considerations explain that commercially available solar cells are limited to efficiencies of 14 % to 19 %.

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Il nastro fotovoltaico-piezoelettrico che funziona anche con la pioggia

Nastro ibrido piezoelettrico

Nastro ibrido piezoelettrico

Riuscire a mitigare l’effetto negativo dell’intermittenza degli agenti atmosferici è da sempre considerato uno dei principali obiettivi degli sviluppatori di sistemi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile. È per questo motivo che l’interesse della comunità scientifica internazionale è sempre più rivolto allo sviluppo di soluzioni ibride, in grado di sfruttare due o più risorse rinnovabili come vento, sole e pioggia.

All’Institute for Materials Research and Innovation (IMRI) dell’Università britannica di Bolton è stato inventato un sistema ibrido in grado di catturare l’energia da tutti e tre gli elementi atmosferici. Si tratta in pratica di un nastro fotovoltaico ibrido, della lunghezza di 20 centimetri, capace di generare energia elettrica sfruttando l’effetto piezoelettrico. Il nastro è composto da diversi elementi sovrapposti: il rivestimento polimerico del dispositivo, in fluoruro di polivinilidene (PVDE), quando è stimolato dal vento o dalle gocce di pioggia trasmette il movimento ai materiali ceramici piezoelettrici sottostanti che portano alla generazione di elettricità. Lo stesso nastro è poi ricoperto con un pellicola fotovoltaica ultra sottile e flessibile (le innovative celle solari organiche P3HT – PCBM) ed è completato dalla presenza di due elettrodi alle estremità.

Purtroppo, nonostante la capacità di catturare energia da diversi agenti esterni, il nastro foto-piezoelettrico realizzato dall’IMRI al momento presenta una bassa densità energetica. Ogni nastro ibrido, infatti,  è in grado di generare costantemente solo pochi milliwatt, motivo per cui è realistico ipotizzarne l’impiego unicamente per alimentare dispositivi a bassissima potenza. Inoltre, per ottimizzare lo sfruttamento dell’energia proveniente dagli agenti meteorologici, secondo i ricercatori sarebbe necessario realizzare dispositivi di forma conica, con una moltitudine di nastri vibranti in grado di captare l’energia del vento, del sole e della pioggia. In attesa di realizzare questi prototipi di “pini” foto-piezoelettrici, i ricercatori stanno lavorando per ridurre i costi generali del dispositivo e contemporaneamente per migliorarne l’efficienza, incorporando nanotubi di carbonio all’interno della sua struttura.

Parallelamente, il team di ricerca sta lavorando anche a un altro progetto, che prevede la realizzazione di fibre ibride utilizzabili nel settore tessile, realizzate con una tecnologia molto simile a quella utilizzata per i nastri foto-piezoelettrici. In caso di successo si potrebbero a breve realizzare indumenti rivestiti da materiale piezoelettrico, grazie ai quali sarebbe possibile produrre energia elettrica con i movimenti del corpo, e ricaricare dispositivi mobili come cellulari, tablet o altro.

Fonti: BBC News, Printed Electronics World

Articolo pubblicato anche da Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile

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