Archivio per la categoria Materiali
Il grafene apre la strada a una nuova generazione di celle solari
Scritto da Johanna Ronco in Elettronica, Green technologies, Materiali il 14 maggio 2013
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
Future Applications of Graphene
Scritto da Heiko Seeger in Materiali, Nanotecnologie il 16 novembre 2012
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 »
Convegno Club degli Innovatori, illustrate alle aziende le nuove frontiere dell’acciaio inossidabile
Scritto da Andrea Ceci in Innovazione e Trasferimento tecnologico, Materiali il 28 settembre 2012
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.
Biomimesi: produrre idrogeno ispirandosi alla struttura delle ali di farfalla
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Materiali, Nanotecnologie il 15 settembre 2012
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
Significant Improvements of Single-Junction Solar Cell Efficiency
Scritto da Heiko Seeger in Green technologies, Materiali il 28 febbraio 2012
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 %.
Il nastro fotovoltaico-piezoelettrico che funziona anche con la pioggia
Scritto da Johanna Ronco in Elettronica, Green technologies, Materiali il 29 gennaio 2012
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
Graphene Electrodes Lead to Improved Energy Storing Devices
Scritto da Heiko Seeger in Green technologies, Materiali il 9 dicembre 2011
Structure of a fully surface enabled, lithium ion-exchange cell. It contains an anode current collector and nanostructured graphene at the anode, a Li ion source (e.g., pieces of Li foil or surface-stabilized Li powder), a porous separator, liquid electrolyte, and the nanostructured functional graphene at the cathode.
The use of graphene electrodes may lead to new means of storing energy for electric vehicle, renewable energy and smart grid applications. Researchers from the two US American companies Nanotek Instruments and Angstrom Materials propose in a recent article published in prestigious Nano Letters an approach aimed on combining the advantages of batteries and electrochemical double-layer capacitors (supercapacitors) offering both high-power and high-energy densities.
Scenarios of the mobility and energy power supply of the future strictly relate the success to the excistence of suitable energy storage devices. Currently, the main strategies are seen in supercapacitors, in lithium-ion batteries or their combination. Both solutions come along with challenging disadvantages. While lithium-ion batteries offer high-energy densities with low power densities, supercapacitors provide high-power densities, but with low energy densities. However, it would be wishful to have at hand simultaneously high-power and high-energy densities. Hence, strong research activities are present for the improvement of the single approaches, but also new approaches are under investigation.
Nuove membrane efficienti ed economiche per l’accumulo energetico
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Materiali il 21 ottobre 2011
Un team di ricercatori della National University of Singapore’s – Nanoscience and Nanotechnology Initiative (NUSNNI), coordinato dal Dott. Xie Xian Ning, ha sviluppato un innovativo sistema di accumulo energetico a membrana.
Energy Storage Membrane (NUSNNI)
Come è noto, uno degli ostacoli maggiori per la diffusione delle fonti rinnovabili è la scarsa disponibilità di sistemi di accumulo energetico economici e a basso impatto ambientale. Il team della NUSNNI ha sviluppato a livello di laboratorio una membrana che non solo potrebbe rivelarsi una soluzione particolarmente economica ed efficiente per lo stoccaggio energetico, ma presenta notevoli vantaggi in termini di impatto ambientale. Per realizzare questa membrana nanostrutturata, morbida ed elastica, i ricercatori hanno utilizzato un polimero polistirenico. La membrana, se inserita tra due dischi metallici e caricata elettricamente, può stoccare fino a 0.2 farad per centimetro quadrato, un valore di capacità elettrica considerevole se comparato a quello tipico dei supercapacitori standard, che è di 1 microfarad per centimetro quadrato. Un altro vantaggio è che il costo di questo dispositivo è notevolmente basso, oltre dieci volte inferiore a quello delle tecnologie di stoccaggio basate sull’impiego di fluidi elettrolitici, come le batterie agli ioni di litio e i supercapacitori.
I ricercatori hanno dimostrato la validità del dispositivo a livello di laboratorio, e al momento stanno cercando finanziatori esterni in grado di avviare la fase di prima ingegnerizzazione. Tra i vari attori che stanno supportando la ricerca a livello economico, è da segnalare la Singapore-MIT Alliance for Research & Technology (SMART).
Superata la fase di ingegnerizzazione e sviluppo, la membrana potrebbe essere utilizzata in associazione a veicoli ibridi, pannelli solari e turbine eoliche, e in tutte quelle applicazioni in cui è necessario disporre di un dispositivo di accumulo energetico in grado di mitigare gli svantaggi e l’inefficienza causati dall’intermittenza delle fonti energetiche.
Light Weight Structures Follow Instructions from Nature
Scritto da Heiko Seeger in Materiali il 11 ottobre 2011
The picture on the left shows a lightweight structure made of polyamide inspired by bionic principles. The picture on the right shows its detailed simulation on the computer (credit: Fraunhofer IWM).
In nature a large number of examples of lightweight and yet strong and resilient objects can be found. Just think about bones and teeth or straw or bamboo. The combination of lightweight with excellent mechanical properties is due to the intelligent design of the internal structure evolution has come up with. Hence, it seems appealing to transfer these ideas to the production of lighter and durable plastic products.
This is why researchers from two Fraunhofer Institutes the ones for Mechanics of Materials IWM and for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT collaborate on a project entitled “Bionic Manufacturing”. This project intends to mimic nature and, hence, to develop products that are lightweight but strong and economic in their use of materials.
Valutazione della sostenibilità degli imballaggi in legno
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Materiali, Packaging il 30 settembre 2011
Come è noto, la Comunità Europea ha definito come linea guida per la sostenibilità degli imballaggi la Strategia delle 4 R:
- Riduzione delle quantità (volume e peso) dei materiali impiegati nella realizzazio-ne di confezioni.
- Riutilizzo, ove possibile, di alcuni imballaggi dopo opportuna sterilizzazione (es: vuoto a rendere per le bottiglie di vetro in Germania)
- Riciclaggio
- Recupero dell’energia durante i processi di combustione.
La Direttiva Packaging dell’UE richiede che gli Stati Membri emettano programmi per ridurre i rifiuti da imballaggio, stabilisce le quantità di materiale da recuperare e riciclare, richiede di ridurre il contenuto di metalli pesanti negli imballaggi e obbliga gli stati membri a promuovere e sviluppare campagne di educazione al riciclaggio.
L’obiettivo globale minimo di recupero è ora del 60%. I nuovi obiettivi globali di riciclo sono stati fissati tra il 55% e l’80%. Gli obiettivi minimi di riciclo per materiale, da raggiungere entro il 2008 (2011 per Grecia, Irlanda e Portogallo), sono stati così definiti:
- 60% per la carta e il vetro;
- 50% per l’acciaio e l’alluminio;
- 22,5% per la plastica;
- 15% per il legno.
Molte aziende europee e internazionali hanno accolto le normative e il crescente interesse delle persone per l’ambiente come stimolo positivo per riguardare i propri processi produttivi in chiave sostenibile. A testimonianza della diffusione di comportamenti particolarmente virtuosi.
Nel caso del legno, trattandosi di un materiale per sua natura rinnovabile, la principale preoccupazione degli organismi internazionali è relativa alla sostenibilità della filiera produttiva, ovvero allo sfruttamento razionale delle foreste e alla sicurezza dei luoghi di lavoro.
A tale scopo, il marchio PEFC (Programme for Endorsement of Forest Certification), garantisce che il legno utilizzato dai produttori di imballaggi è ottenuto da foreste con i più elevati standard di eco-sostenibilità; attraverso uno specifico procedimento di rintracciabilità (Catena di custodia) è inoltre possibile certificare il percorso del legname certificato dalla foresta al prodotto finito.
A livello Europeo, la Forest-Based Sector Technology Platform (FTP) ha definito una roadmap per lo sviluppo sostenibile e la ricerca nel settore dello sfruttamento delle foreste in Europa. Secondo la Vision della FTP per il 2030, il settore giocherà un ruolo essenziale per lo sviluppo di una società sostenibile nella comunità europea.
Filiera dello sfruttamento del legno (Courtesy FTP)
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