I materiali del futuro in campo energetico saranno il grafene e i suoi “cugini”: i calcogenuri di metalli di transizione (TMD) e gli ossidi di metalli di transizione. A rivelarlo è uno studio pubblicato di recente sulla rivista Science a cura di un team internazionale di ricercatori afferenti all’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova, all’Istituto di Nanoscienze del CNR, alla Scuola Normale Superiore di Pisa e alla compagnia Texas Instruments di Dallas, specializzata nella produzione di semiconduttori.

Vittorio Pellegrini e Francesco Bonaccorso, coordinatori della ricerca, hanno illustrato sull’autorevole rivista scientifica le molteplici potenzialità del grafene e dei materiali appartenenti alla stessa famiglia.

Tra le caratteristiche che rendono il grafene un materiale economico e versatile in campo energetico figurano lo spessore sottile, la flessibilità e la grande stabilità. L’estensione di un grammo di grafene può arrivare a 2.600 metri quadrati, permettendo di immagazzinare grossi quantitativi di energia in pochissimo spazio.

Il grafene può essere impiegato in diversi settori. L’industria automobilistica, ad esempio, può sfruttarlo per produrre batterie più efficienti per le auto elettriche aumentando l’autonomia dei veicoli a zero emissioni, mentre l’industria fotovoltaica potrà utilizzarlo per rendere le celle solari più flessibili, resistenti e maggiormente produttive.

Le applicazioni del grafene non si fermano qui, spaziando dall’immagazzinamento dell’idrogeno ai supercapacitori, dispositivi per l’accumulo e il rilascio di energia. Gli esperti rendono noto che già tra qualche mese arriveranno sul mercato nuovi potenti alimentatori per i telefoni cellulari a base di grafene.

Per l’entrata in commercio delle batterie al litio a base di grafene bisognerà invece aspettare ancora qualche anno. Anche nel campo del fotovoltaico i tempi non sono ancora maturi per il grafene a causa del prezzo del silicio, decisamente più competitivo, e della scarsa efficienza delle celle solari basate sul materiale bidimensionale.

Il grafene però, in virtù della sua versatilità, consente di aumentare il campo di applicazione delle celle solari, trasformando vetri, finestre e qualsiasi superficie in un pannello fotovoltaico trasparente o colorato, cosa impensabile con la tecnologia attuale basata sul silicio. In futuro, per ridurre le emissioni dei consumi energetici e tagliare i costi della dipendenza dai fossili, bisognerà puntare proprio su questi nuovi materiali per ampliare il raggio di applicazione dei pannelli.

Nei prossimi anni a trarre vantaggio dal grafene e dai suoi “cugini” saranno anche le industrie dell’idrogeno e dell’elettronica, come illustra Valentina Tozzini, una delle autrici dello studio:

Questi materiali hanno una conducibilità elettrica che può essere regolata dall’esterno e ciò è importantissimo per il fotovoltaico e l’elettronica.

Nel caso dell’idrogeno, i semiconduttori bidimensionali combinati al grafene potrebbero dare vita a contenitori simili a spugne, in grado di separare le molecole, immagazzinando efficacemente il gas ed evitandone l’esplosione durante il trasporto.

In futuro, investendo in tecniche produttive efficienti come l’esfoliazione in fase liquida, si potranno ottenere cristalli bidimensionali multistrato. Ogni strato avrà una proprietà differente.

Nel caso delle celle fotovoltaiche, ad esempio, si potranno combinare materiali con un’alta capacità di assorbire la luce a materiali in grado di stoccare energia in modo più efficiente. Come fanno notare gli autori dell’analisi, si tratta di risultati eccezionali che però potranno essere raggiunti soltanto aumentando gli investimenti nella ricerca tecnologica.

5 gennaio 2015
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