Archivio per la categoria Nanotecnologie
Fotovoltaico: arrivano le nanoantenne che catturano anche gli infrarossi
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Nanotecnologie il 5 marzo 2013
Rectenna (Fonte: Nanowerk)
Solar Steam, il solare termico che impiega le nanoparticelle per produrre vapore
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Nanotecnologie il 22 novembre 2012
Gli scienziati della Rice University di Houston (Texas) hanno sviluppato una nuova tecnologia rivoluzionaria che utilizza nanoparticelle per convertire l’energia solare direttamente in vapore. Il nuovo generatore di vapore ad energia solare è stato sviluppato dal LANP, il Laboratorio di Nanofotonica della Rice University, ed è così efficace che può produrre vapore anche dall’acqua gelata.
I dettagli di questo nuovo metodo di produzione di vapore sono stati pubblicati recentemente sulla prestigiosa rivista ACS Nano. Il prototipo realizzato dagli scienziati ha un rendimento energetico complessivo del 24% , che potrebbe essere ulteriormente incrementato con l’affinarsi della tecnologia. Tuttavia, gli inventori del generatore di vapore solare (Solar Steam) sono convinti che il primo utilizzo del loro dispositivo non sarà per la produzione di energia elettrica, ma piuttosto per la depurazione dell’acqua e la sterilizzazione di dispositivi igienico-sanitari nei Paesi in via di sviluppo.
Negli ultimi anni sono stati realizzati numerosi impianti che consentono di produrre vapore direttamente dall’energia del sole, grazie all’impiego di concentratori solari. Rispetto ai dispositivi conosciuti, questa nuova tecnologia mostra una notevole efficienza grazie alla presenza di nanoparticelle in grado di catturare la luce solare e convertirla in calore. Se immerse in una soluzione acquosa ed esposte alla luce del sole, le nanoparticelle si riscaldano così in fretta da vaporizzare immediatamente l’acqua che le circonda. Il riscaldamento avviene su scala nanometrica: le dimensioni delle particelle possono essere addirittura inferiori alla lunghezza d’onda della luce che le colpisce, il che significa che per dissipare il calore esse hanno a disposizione una ridottissima superficie. Questo intenso riscaldamento consente di generare vapore localmente, proprio in corrispondenza della nanosuperficie, in maniera efficiente e del tutto insolita. Per dimostrare a livello pratico quanto questa generazione di vapore localizzato possa essere lontana dall’esperienza comune, i ricercatori della Rice University hanno videoregistrato un esperimento durante il quale la radiazione solare viene diretta su una provetta contenente la soluzione di nanoparticelle immersa in un bagno di acqua ghiacciata. Nel video si dimostra che concentrando la luce solare sulla provetta è possibile creare vapore direttamente dall’acqua quasi congelata.
Per quantificare i possibili sviluppi tecnologici di questo genere di dispositivo, occorre innanzi tutto ricordare che il vapore è uno dei fluidi industriali più utilizzati al mondo. Infatti, circa il 90% dell’energia elettrica è prodotta dal vapore, ma esso è utilizzato anche per sterilizzare i rifiuti sanitari e gli strumenti chirurgici, per preparare il cibo e per purificare l’acqua. Per contenere i costi di produzione, la maggior parte del vapore industriale oggi viene prodotta in grandi caldaie, ma l’efficienza di questi nuovi generatori di vapore ad energia solare potrebbe consentire di realizzare processi economici anche su una scala molto più piccola.
Le popolazioni dei Paesi in via di sviluppo potrebbero essere le prime a vedere i benefici del “vapore solare”. Gli studenti di ingegneria della Rice hanno già creato un’autoclave a vapore solare in grado di sterilizzare strumenti medici e dentali presso le cliniche che non hanno energia elettrica. Inoltre questo gruppo di ricerca, guidato dalla Prof.ssa Halas, ha vinto uno dei premi stanziati dalla Bill&Melinda Gates Foundation per creare un sistema di trattamento dei rifiuti umani utilizzabile su piccolissima scala in zone prive di fognature ed elettricità. Il “vapore solare” ha notevoli potenzialità anche perché non richiede una grande estensione di specchi o pannelli solari per funzionare efficacemente. Ad esempio, la finestra di luce nell’autoclave dimostrativa è di pochi centimetri quadrati. Altri usi potenziali del generatore potrebbero essere individuati nell’alimentazione di sistemi ibridi di aria condizionata e riscaldamento, oppure per dissalazione e la depurazione dell’acqua.
La Prof.ssa Halas, capofila del progetto, è uno dei massimi esperti mondiali nel campo delle nanoparticelle fotoreattive, utilizzabili in svariati settori della medicina, della diagnostica e della produzione energetica. Forte di questa esperienza, per la realizzazione di questo generatore di vapore il team di ricerca ha messo a punto una nanoparticella che reagisce a uno spettro di radiazione molto ampio, che si estende anche oltre il campo del visibile, in modo da garantire una grande versatilità d’impiego anche in condizioni non ideali.
Fonte: Sciencedaily
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 »
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
Le nuove frontiere delle celle bio-fotovoltaiche
Scritto da Johanna Ronco in Biotecnologie, Green technologies, Nanotecnologie il 16 aprile 2012
Con il termine bio-fotovoltaico si indica generalmente un sistema fotovoltaico in cui, a partire da un insieme di sostanze di natura organica, si produce energia elettrica grazie a un meccanismo di fotosintesi. Per quanto teoricamente realizzabili, ad oggi i sistemi bio-fotovoltaici non hanno ancora superato la fase di laboratorio, in quanto presentano numerose difficoltà costruttive, scarsa ripetibilità dei procedimenti realizzativi e un rendimento non del tutto soddisfacente. Recentemente, un gruppo di ricercatori provenienti dal MIT (Massachusetts Institute of Technology), dall’Università del Tennessee e dalla Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, ha teorizzato la possibilità di ricavare una quantità di energia elettrica non trascurabile a partire dalla membrana di un complesso proteico denominato Fotosistema-I (in inglese Photosystem-I o PS-I). La strategia elaborata in questo studio prospetta una conversione di energia dello 0,1%, ancora troppo piccola per qualsiasi applicazione pratica, ma comunque 10.000 superiore rispetto a quelle indicata nelle precedenti pubblicazioni scientifiche.
From Photosystem I to Bio-Solar Cells
Scritto da Heiko Seeger in Green technologies, Nanotecnologie il 8 marzo 2012
Scheme of the Design Strategy of Creating Bio-Solar Cells (adopted from Meshin et al., 2012).
A group of researchers from the Massachusetts Institute of Technology, the University of Tennessee and the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne has presented an approach harvesting electrical energy from the integral membrane protein complex photosystem I. The strategy elaborated in the present study arrives at an energy conversion of 0,1 %. While this factor is way too small for any real-word application it means an improvement of a factor of 10.000 with respect to a previous work originating from the same principle investigator.
The paper by Mershin and collaborators which was published on the open access journal Science Reports oriented its principle idea on a previous work published by MIT researcher Shuguang Zhang and collaborators from 2004. The key idea is based on relying on the photosystem I (PS I) which is involved in a plant’s photosynthesis. The PS I permits to convert light energy into electron transfer. The original approach derived the PS I from plants and layered them on a glass substrate. However, the assembling and stabilizing needed the use of rather expensive chemicals and sophisticated lab equipment. Additionally, the resulting solar cell efficiency was orders of magnitude too weak to be of any practical use. Prosegui la lettura »
Nanoshell whispering, i nanogusci fotovoltaici “sussurranti” che intrappolano la luce
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Nanotecnologie il 23 febbraio 2012
Nanoshell whispering
Gli ingegneri di Stanford hanno creato nanogusci fotovoltaici in grado di sfruttare un particolare fenomeno fisico per intrappolare la luce. Il risultato potrebbe migliorare in maniera straordinaria l’attuale efficienza delle celle solari a film sottile, riducendone sia il peso che il costo.
A molti di noi è capitato di sperimentare direttamente il fenomeno acustico della camera a sussurro, per il quale, al di sotto di una cupola o di una volta – o in una qualsiasi camera racchiusa in un’area circolare o ellittica – è possibile ascoltare chiaramente in qualsiasi punto della struttura i “sussurri” prodotti in altre parti della costruzione. Recentemente, gli scienziati di Stanford hanno preso spunto da questo fenomeno per produrre sottili nanosfere cave costituite di un particolare materiale fotovoltaico, il silicio nanocristallino. Il silicio nanocristallino, infatti, è un eccellente materiale fotovoltaico, con caratteristiche di ottima efficienza ed alta resistenza in condizioni di esposizione estrema alla luce, ma presenta una bassa capacità di assorbimento, il che si traduce in una forte richiesta di materiale per ottenere una cella fotovoltaica in grado di produrre un quantitativo non trascurabile di energia elettrica. Le nanosfere fotovoltaiche sono in grado di propagare la luce al loro interno allo stesso modo in cui le camere a sussurro intrappolano le onde acustiche, e in pratica migliorano notevolmente l’assorbimento del materiale. Grazie a questo effetto, secondo gli ingegneri di Stanford, si potrebbe ridurre notevolmente il peso e quindi il costo delle attuali celle fotovoltaiche a film sottile. Prosegui la lettura »
Lipid-Based Drug Delivery- From a Vision to Clinical Application: Part I
Scritto da Heiko Seeger in Biotecnologie, Nanotecnologie il 10 febbraio 2012
Nowadays, the active agents applied in traditional chemotherapy act both on sick and healthy tissue. This results in the formation of strong side-effects. This is why one envisions a targeted transport of the drugs to these parts of the body which are supposed to be treated. One of the chosen approaches considers the incorporation of the water-solvable active agents in lipid nano-containers. Once these have been added to the human body they shall enrich themselves in the harmed tissue and should release in a controlled manner the active drug.
Elettrodi in grafene nanostrutturato per migliorare i sistemi di accumulo energetico
Scritto da Johanna Ronco in Green technologies, Nanotecnologie il 4 gennaio 2012
L’utilizzo di elettrodi di grafene potrebbe portare alla realizzazione di nuovi dispositivi per lo stoccaggio energetico idonei per veicoli elettrici, fonti rinnovabili e applicazioni smart grid.
Elettrodi in grafene nanostrutturato
In un recente articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Nano Letters, i ricercatori di due aziende statunitensi Nanotek Instruments e Angstron Materials hanno proposto una nuova soluzione tecnologica in grado di combinare i vantaggi delle batterie elettrochimiche con quelli dei condensatori a doppio strato (supercapacitori), in modo da ottenere sistemi di accumulo energetico con alta potenza abbinata ad alta densità di energia.
Tutti gli scenari di possibile sviluppo della mobilità sostenibile e dell’approvvigionamento energetico, sono strettamente in relazione con la costruzione di idonei dispositivi di immagazzinamento dell’energia. Attualmente, i dispositivi più promettenti sono i supercondensatori e le batterie al litio.
Entrambe le soluzioni presentano alcuni svantaggi: mentre le batterie al litio offrono elevata densità di energia con bassa densità di potenza, i supercondensatori, al contrario, possono fornire alta densità di potenza, ma con bassa densità di energia. I supercondensatori, a differenza dei condensatori convenzionali, non si basano sull’impiego di un materiale dielettrico. L’elettrolita del condensatore, per l’effetto elettrico “doppio strato”, porta ad un’effettiva separazione di carica, anche se la separazione fisica degli strati è impercettibile. In generale, i supercondensatori offrono vantaggi quali ad alta densità di potenza, lunga durata di vita, semplici circuiti di ricarica, elevato grado di sicurezza e bassi costi. Tuttavia, essi presentano anche alcuni svantaggi, quali una bassa quantità di energia immagazzinata per unità di peso, un’alta autoscarica e una bassa tensione massima raggiungibile. Le batterie agli ioni di litio, d’altra parte, possono essere generalmente descritte dai loro tre componenti principali funzionali, e cioè l’anodo, il catodo e l’elettrolita. L’elettrolita, non acquoso, è comunemente costituito da una miscela di carbonati organici e contiene ioni di litio. Il catodo è basato su un ossido di metallo e il materiale più comune per l’anodo è la grafite. Queste batterie presentano la diffusione di ioni di litio tra l’anodo e il catodo, con la possibilità di questi ioni a migrare da o verso l’anodo e il catodo. Tuttavia, la bassa diffusione solido-superficie limita la massima densità di potenza. Ad oggi è presente una forte attività di ricerca per il miglioramento di ciascuno di questi singoli dispositivi, ma si stanno indagando anche nuovi approcci al problema.
Recentemente le attività di ricerca si sono concentrate su come applicare le nanotecnologie al fine di aumentare la densità di potenza caratteristiche delle batterie litio-ioni. Nella ricerca presentata da Nanotek Instruments e Angstron Materials, i ricercatori hanno scelto un approccio nuovo, utilizzando grafene nanostrutturato come materiale degli elettrodi. Nei dispositivi prototipali realizzati nel corso della ricerca, il grafene poroso nanostrutturato è collegato sia all’anodo che al catodo, in due blocchi distinti separati da una membrana porosa, ed è immerso nell’elettrolita. Il flusso di corrente è basato sullo scambio di litio tra la superficie dei due elettrodi in grafene nanostrutturato. Le due superficie in grafene possono catturare gli ioni di litio rapidamente e reversibilmente, attraverso meccanismi di adsorbimento di superficie e /o reazioni redox sempre di superficie. Gli autori della ricerca hanno effettuato gli esperimenti utilizzando diverse strutture in grafene. Lo studio è ancora in una fase preliminare, ma risultati sono stati così promettenti da rendere possibile l’ipotesi di una prossima realizzazione di sistemi in grado di raggiungere densità energetiche di 160 Wh/kg per unità di cella. Questo valore è oltre 30 volte superiore a quello raggiungibile con i supercapacitori convenzionali, ed è comparabile con quello delle batterie agli ioni di litio. In più, questi sistemi possono raggiungere densità di potenza di 100 kW/kg per unità di cella, 10 volte superiori a quelle dei tradizionali supercondensatori e addirittura 100 volte maggiori delle batterie agli ioni di litio.
Articolo pubblicato anche da Fondazione per lo Sviluppo Sostenibile Articolo originale in lingua inglese: Graphene Electrodes Lead to Improved Energy Storing Devices
Sun-free: dal MIT il fotovoltaico che funziona anche senza sole
Scritto da Johanna Ronco in Elettronica, Materiali, Nanotecnologie il 5 agosto 2011
La maggior parte dell’energia comunemente utilizzata per usi civili ed industriali proviene dal calore, il quale viene convertito prima in energia meccanica e poi, eventualmente, in energia elettrica. Come è noto, durante i processi di conversione energetica vi è sempre una perdita di rendimento: in particolare i sistemi meccanici presentano un’efficienza relativamente bassa, e difficilmente possono essere scalabili alle dimensioni richieste dai dispositivi elettronici portatili.
I ricercatori dell’Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) del MIT, guidati da Ivan Celanovic, hanno recentemente messo a punto dispositivi fotovoltaici particolarmente efficienti, in grado di convertire direttamente in energia elettrica non solo la radiazione solare, ma anche l’energia termica proveniente dalla combustione di idrocarburi, dal decadimento di radioisotopi o da qualsiasi altra fonte di calore.
La tecnologia utilizzata dai ricercatori del MIT si basa sell’effetto termofotovoltaico, utilizzato per la prima volta circa cinquant’anni con relativamente scarso successo, a causa delle scarse efficienze raggiunte dai prototipi. Ora il problema sembra essere stato superato grazie all’impiego di materiali speciali nanostrutturati, con proprietà ottiche particolarmente idonee a questo genere di dispositivi. La radiazione emessa dalla sorgente termica include infatti molte più lunghezze d’onda di quelle presenti nello spettro solare, il che consente di utilizzare per la costruzione delle celle diodi fotovoltaici specifici, i quali possono assorbire molta più radiazione infrarossa del silicio comunemente utilizzato. Con una comune sorgente termica, tuttavia, la maggior parte del calore risulta dispersa, e l’efficienza globale del dispositivo rimane relativamente bassa. La soluzione identificata dai ricercatori del MIT prevede di utilizzare una sorgente termica che emette radiazioni solo della lunghezza d’onda che può essere assorbita e convertita in elettricità dal diodo fotovoltaico, con notevole miglioramento dell’efficienza totale del dispositivo.
Cristallo fotonico di tungsteno nanostrutturato
Ciò è reso possibile da un materiale opportunamente progettato, un cristallo fotonico con superficie nanostrutturata con una serie di cavità regolari che agiscono come elementi di risonanza, e sono in grado di propagare la luce in maniera selettiva. Quando questo materiale – un cristallo di tungsteno con miliardi di cavità nanostrutturate – viene riscaldato, si genera un fascio di radiazioni di lunghezza definita. Prosegui la lettura »
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