Un piccolo dispositivo nato in Italia potrebbe portare a una delle più importanti rivoluzioni nel campo delle telecomunicazioni. Il device consente alla fibra ottica di inviare segnali complessi rendendo così la trasmissione delle informazioni molto più efficiente e veloce. Questa tecnologia è stata progettata dal team del professor Marco Romagnoli dell’istituto TeCIP della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e dal Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (Cnit) nell’ambito del Progetto “Graphene” dell’Unione Europea.

Il dispositivo si configura come un modulatore ottico di fase realizzato in silicio e grafene che consente di convertire i segnali da elettronici a ottici. Le sue dimensioni non superano il mezzo millimetro ma possono essere ulteriormente ridotte fino a un decimo di millimetro. Anche il consumo energetico può essere controllato per garantire il massimo dell’efficienza. Una tecnologia di questo tipo permetterebbe di velocizzare la fibra ottica non solo per quanto riguarda la comunicazione a livello locale ma anche quelle intercontinentali. Non solo, entro 5 o 10 anni il dispositivo potrebbe essere integrato all’interno di PC domestici, smartphone e supercomputer per interconnettere elementi essenziali come processore, memoria e periferiche.

“Il modulatore ottico di fase, la cui funzionalità è stata dimostrata recentemente, insieme agli altri nuovi componenti che utilizzano il grafene, può diventare un tassello essenziale per lo sviluppo delle piattaforme di telecomunicazione e dati ad altissima densità e velocità, necessari per sostenere il tumultuoso aumento delle trasmissioni richiesto dalle nuove piattaforme legate al 5G, lo smart manufacturing e Internet of Things”, ha dichiarato Giampiero Contestabile, ricercatore all’Istituto TeCIP che ha partecipato alla ricerca.

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Samsung non può permettersi uno nuovo scandalo come quello di Galaxy Note 7 e sta quindi lavorando per realizzare batterie più efficienti, capienti e soprattutto sicure. Il suo laboratorio Advanced Institute of Technology (SAIT) sembra aver trovato una soluzione che coniuga tutta queste caratteristiche. Il team dell’azienda coreana, che ha anche aperto un nuovo centro di ricerca sull’intelligenza artificiale, ha sfruttato una nuova configurazione del grafene su base sferica per aumentare la capacità delle batterie e ridurre i tempi di ricarica.

Samsung ha stimato che le attuali batterie al litio si ricaricano completamente in circa un’ora. Il nuovo sistema impiega appena 12 minuti per la stessa operazione. Inoltre il team di ricerca ha calcolato che la capacità aumenta del 45% ma soprattutto che la temperatura rimane costantemente al di sotto dei 60°. Questo significa che non solo difficilmente si riproporranno casi di esplosioni, ma questa soluzione è ideale per l’utilizzo sulle automobili elettriche, settore in cui Samsung ha investito non poche risorse. Questa tecnologia è già stata depositata presso gli uffici brevetti di Corea del Sud e Stati Uniti ed è quindi probabile che verrà sfruttata per lo sviluppo di nuovi prodotti entro breve. Probabilmente non vedremo le nuove batterie al grafene su Galaxy 9 ma forse sul modello successivo sì.

Restando in tema di energia, Tesla ha invece costruito in Australia la più grande batteria al litio al mondo. Il suo complesso Powerpack può immagazzinare fino 100 Megawatt di energia prodotta tramite pannelli solari e alimentare così 30mila case in caso di blackout della rete elettrica.

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Sappiamo quanto la tecnologia conti sul grafene. Si tratta di un materiale forte e flessibile, più del silicio, di cui è un naturale successore. Già diversi produttori di chip lo usano per rimpicciolire e potenziare processori e schede grafiche, da implementare in dispositivi sempre più maneggevoli e versatili. Ma gli utilizzi del grafene sono talmente vasti da poter invadere anche altri ambiti di intrattenimento, come la musica. Per questo gli scienziati dell’Università di Exter, nel Regno Unito, hanno teorizzato lo sviluppo di uno speaker al grafene in grado di sfruttare la composizione atomica di quest’ultimo per diffondere meglio il suono nell’ambiente. Ciò è reso possibile dalle proprietà conduttive del materiale, capace di trasformare gli input informatici in audio, tramite una serie di onde sonore create dalla rapida variazione termica delle particelle.

Speaker integrati

Il nuovo processo non solo permette ai produttori di realizzare uscite audio più piccole ma anche di integrarle direttamente nei display di cellulari e tablet, togliendo di mezzo l’ingombro di fori e sezioni dedicate. In che modo? Un pannello in grafene, essendo per sua natura trasparente, può benissimo essere posto al di sopra dello schermo touch di qualsiasi dispositivo, senza aumentarne notevolmente lo spessore. In questo modo, il suono arriverebbe dalla parte frontale, con un raggio di azione più ampio è una qualità migliore. Quanto c’è di reale in tutto ciò? Come premesso, per ora si tratta di uno studio teorico che non apre a scenari concreti ma, visto il rapido susseguirsi di innovazioni e scoperte, non è detto che il futuro iPhone 10 non possa abbracciare la rivoluzione del carbonio.

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Al MIT il futuro è di casa. Dopo vari mesi di ricerche e tentativi, i ricercatori del prestigioso istituto statunitense sono riusciti a realizzare oggetti in tre dimensioni basandosi su un composto al grafene. Il risultato è un prodotto più leggero dell’aria ma anche 10 volte più resistente dell’acciaio. In che modo ci sono riusciti? Comprimendo, fino a fonderle, piccole parti di grafene tramite il calore e a la pressione, senza però intaccarne la composizione chimica. Fino ad oggi la difficoltà era quella di non poter sfruttare le qualità bidimensionali del grafene in materiali a tre dimensioni: come sappiamo infatti, lo strato monoatomico di atomi di carbonio che formano la particolare molecola si estende su due dimensioni, rendendo difficoltoso il passaggio alla terza.

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Cosa cambia

I ricercatori sono riusciti a creare la nuova struttura tramite una stampante 3D proprietaria, che ha dato via a una configurazione “a spugna” che permette al grafene di organizzarsi su più livelli, mantenendo però una densità del 5%. Questo li permette di godere di una leggerezza da record, praticamente minore di quella dell’aria, conservando però quelle caratteristiche di forza e solidità che lo pongono davanti all’acciaio, in quando a resistenza. L’idea di usare il calore e la pressione per amalgamare il grafene e formare un combinato che è considerato molto simile alle diatomee marine, potrebbe aprire a innovativi contesti di utilizzo. Pensiamo alla costruzione di ponti, al telaio di aeroplani e mezzi di trasporto ma anche alle infrastrutture soggette a corrosione, come quelle che filtrano l’acqua. Grazie al grafene si otterrebbero non solo architetture più forti e stabili ma anche sottili e leggere, tali da poter essere integrate praticamente ovunque.

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C’è da sempre un grande fermento intorno al grafene, inteso come materiale da poter integrare in tecnologie future. Il motivo? Il suo utilizzo sposta più in la i confini del possibile, visti gli usi e le funzionalità  a cui apre. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno compiuto un ulteriore passo in avanti verso la comprensione di come il grafene possa, concretamente, essere utilizzato in ambito hi-tech. Alla base della loro analisi c’è quello che hanno definito un “boom ottico”, ovvero la trasformazione degli elettroni in un fascio di luce, grazie alla rottura delle barriere di carbonio che causano una sorta di onda d’urto luminosa.

Di cosa si tratta

Luce che, nel caso di chip, può essere usata come fonte di energia per portare la potenza a milioni di volte superiore di quello che abbiamo oggi. Sebbene il passaggio dell’elettricità in luce sia qualcosa che conosciamo bene, grazie agli studi di Thomas Edison più di un secolo fa, quello che cambia è la possibilità di controllare la generazione del boom ottico, scalandolo in micro particelle che formano i chip. Inoltre, i ragazzi del MIT sono riusciti a teorizzare una simile tecnica riducendo la velocità della luce che dovrebbe passare in mezzo agli elettroni, così da non distruggere gli atomi di carbonio che compongono un singolo strato di grafene. Quando la teoria potrà trasformarsi in realtà? Molto presto secondo Marin Soljačić, parte del team del progetto: “Siamo certi che il grafene possa rivoluzionare il mercato. Il nostro studio dovrebbe divenire fattibile nel giro di uno o due anni” – ha detto.

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E’ made in Italy l’idea di ricavare energia a basso costo da finestre, un progetto nato dalla collaborazione guidata da Francesco Bonaccorso, dell’Istituto Italiano di Tecnologia (Iit), e Aldo Di Carlo, dell’università di Tor Vergata.

Superficie intelligente e low cost

Le celle fotovoltaiche tradizionali producono energia bloccando però il percorso della luce solare. Da anni si cerca di arrivare ad una soluzione “trasparente” che sfrutti la luce del sole in modo intelligente. Ecco da dove nasce questo nuovo materiale che si basa sulla tecnologia dye-sensitized solar cell (Dssc) già usata su pannelli ‘tradizionali’, ma con grafene al posto del platino. Un altro vantaggio è la sensibile diminuzione dei costi, di ben 10mila volte inferiori.

“Stiamo sviluppando un modulo fotovoltaico costruito ad hoc per il grafene – ha spiegato Bonaccorso – che sarà semitrasparente e più economico dei pannelli fotovoltaici attualmente in commercio. La forza del nostro lavoro è la facilità di scalabilità a livello industriale e la semplicità con cui il grafene in forma di inchiostro può inserirsi in contesti industriali già esistenti, senza significativi investimenti in macchine o infrastrutture”.

Un materiale da studiare

Il grafene, un sottilissimo ‘reticolo’ di atomi di carbonio, è una materiale da anni studiato per la sua versatilità d’impiego e per svilupparne le potenzialità l’Europa ha messo in campo ben 1 miliardo di euro nell’ambito del programma Graphene Flagship. I due centri di ricerca italiani svolgono un ruolo di primaria importanza con Iit che a partire da oggi ospiterà anche Graphene 2016, la conferenza scientifica mondiale di riferimento per il grafene. E’ di pochi giorni fa la notizia che alcuni ricercatori cinesi hanno sviluppato pannelli solari al grafene in grado di produrre energia anche con la pioggia.

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Grafene, grafene, grafene. Sicuramente ne avrete già sentito parlare. Forse. Forse l’avete addirittura intravisto. Se poi siete tra i pochissimi che l’hanno anche toccato, probabilmente siete tra quel paio di centinaia di italiani che oggi la grafite la usa o la produce. Se invece non avete una precisa idea di cosa sia, ma vi immaginate che abbia a che fare con la grafite, non state poi andando così lontano: immaginando la grafite come una pila di strati posti l’uno sull’altro, il grafene è il singolo “foglio”, il più sottile. La struttura molecolare è esagonale e i singoli atomi di carbonio sono ordinati secondo una struttura ad alveare.

In linea teorica, il grafene è noto, ed è stato descritto più volte, a partire dalla seconda metà del secolo scorso: ma è solo da una decina di anni che la comunità scientifica è riuscita a toccarlo, quando cioé nel 2004 gli studiosi Andre Geim e Konstantin Novoselov, nei laboratori dell’Università di Manchester, riuscirono a isolarne un campione, azione ritenuta impossibile prima di allora. Non ci hanno messo poi troppo a convincere la comunità scientifica che ci si trovava davanti a una vera e propria rivoluzione tecnologica: e così quel foglietto di grafite sottilissimo ha valso loro il Nobel per la fisica nel 2010.

#smartcity alla scoperta del segreti del #grafene @urbanocreativo
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Le proprietà del grafene

Le sue proprietà preziose non sono riscontrabili tutte insieme in altri materiali noti: è duecento volte più forte dell’acciaio, conduce l’elettricità in modo più efficace del rame e lo stesso avviene per il calore. È in grado di assorbire una frazione significativa di luce bianca arrivando a registrare una trasmissione ottica pari a circa il 98% della luce incidente. Il che, detto per semplicità, vuol dire che è praticamente trasparente. Nonostante questo, è così denso che nemmeno l’elio, il più piccolo gas atomico, può attraversarlo. Inoltre, mentre la grafite risulta molto fragile, il grafene ha la resistenza meccanica del diamante e la flessibilità della plastica. Se prima se ne sentiva solo parlare, ora si può scovare in giro qualche prototipo. I tempi sono maturi e, a dimostrarlo, durante il Mobile World Congress tenutosi a Barcellona lo scorso febbraio, è stato l’intero settore dedicato al grafene nel padiglione delle innovazioni tecnologiche. In esposizione, batterie al grafene, in grado di ricaricarsi in meno di 15 minuti. Circuiti piú sottili di un millimetro, flessibili, sensori davvero minuscoli. I nuovi dispositivi elettronici potrebbero diventare molto più resistenti e assumere forme in grado di adattarsi a nuovi e imprevisti utilizzi. Dalla biomedica al lifestyle, le potenzialità sono molte.

#smartcity #grafene resistente come il diamante. Flessibile come la plastica @urbanocreativo
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E per quanto riguarda la smart city?

Le applicazioni più concrete riguardano l’uso del grafene come materiale per le celle solari, date le caratteristiche che lo rendono trasparente e allo stesso tempo conduttivo. Si potrebbero immaginare enormi vetrate in grado di garantire ottima luminosità agli ambienti e, allo stesso tempo, fornire energia rinnovabile dalla luce del sole. E siccome le sorprese del grafene non finiscono mai, la previsione dell’efficacia di conversione dell’energia solare è del 60% mentre quella delle celle in silicio attuali si attesta intorno al 25%. Oppure, potremmo utilizzarlo per la depurazione dell’acqua, in particolare da tossine e alcuni materiali radioattivi: è infatti impermeabile a quasi tutti i gas e i liquidi ma, curiosamente, le molecole dell’acqua sono una delle eccezioni. Quasi ovunque si parla ancora di prototipi: ma il solo fatto di avergli dedicato uno spazio apposito all’interno di una fiera dedicata alle tecnologie fa ben pensare. Ora aspettiamo la rivoluzione, nel mondo dell’elettronica, del fotovoltaico e delle applicazioni sensoristiche. D’altronde, la tecnologia corre in fretta, spesso più della nostra immaginazione.

Giulia Cattoni @urbanocreativo

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Lo straordinario risultato è stato, riportato sulla rivista Nature Nanotechnology, è stato ottenuto da un team di ricerca coordinato da Young Duck Kim, della Columbia University a New York. Una scoperta che apre alla possibilità futura di usare le minuscole lampadine di grafene per illuminare display super sottili, flessibili e trasparenti, ipotizzando di arrivare a comunicazioni ottiche basate sul grafene.

Far brillare un minuscolo filamento

Come sono riusciti gli scienziati ad ottenere la minuscola lampadina? Filamenti di grafene, dello spessore di un atomo di carbonio, sono stati attaccati a elettrodi metallici. Ai filamenti è stata quindi applicata una corrente elettrica per riscaldarli fino a temperature superiori ai 2.500 gradi, che lo hanno fatto brillare così intensamente che la luce emessa è visibile anche ad occhio nudo.

Dal carbonio di Edison al grafene

L’idea è stata quella di tornare al carbonio usato dallo stesso Thomas Edison, l’inventore della lampadina nei suoi primi esperimenti: «Edison – sottolinea il fisico Yun Daniel Park, dell’università di Seul che ha partecipato alla ricerca – all’inizio ha utilizzato il carbonio come filamento per la sua lampadina, ma ora usiamo la sua forma più pura e al suo limite della dimensione massima, solo un atomo di spessore».
Il grafene tuttavia conduce il calore diversamente rispetto al carbonio e raggiungere temperature elevate senza fondere gli elettrodi di metallo.
Riscaldandosi, le alte temperature si limitano alla parte centrale e non a tutto il filamento.

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Per accelerare il progresso tecnologico è necessario scoprire nuovi materiali, in particolare nel campo dell’elettronica. Il transistor ha permesso di realizzare i PC ma è necessario andare ancora migliorandone le prestazioni. Attualmente i semiconduttori sono costruiti in silicio ma gli scienziati stanno sperimentando l’utilizzo di nuovi materiali bidimensionali per renderli più piccoli ed efficienti.

Transistor oltre il silicio

L’Università di Pisa in collaborazione con il MIT, l’Università di Notre Dame, l’Università di Dallas e l’Istituto Italiano di tecnologia, che ha costruito il robot per la protezione civile HyQ, stanno sperimentando l’uso di materiali bidimensionali, ovvero dello spessore di un solo atomo, per costruire un nuovo tipo di transistor. Oltre al più conosciuto grafene, che potrebbe essere la risposta alle esigenze di autonomia degli smartphone, i diversi team di ricerca stanno utilizzando anche i calcogenuri dei metalli di transizione (TMD) e il seleniuro di bismuto.

Come ha spiegato Gianluca Fiori, esperto del dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, questi materiali sono “promettenti per la realizzazione di transistor piccolissimi, fino a cinque nanometri, mentre quelli attuali sono circa 20 nanometri”. “Per rendersi conto delle dimensioni,  – ha continuato – un virus è circa 100 nanometri, un batterio è circa mille nanometri, e lo spessore di un capello è circa centomila nanometri”.

Attualmente la tecnologia per la produzione dei materiali bidimensionali è ancora allo stadio embrionale ma nel prossimo futuro questi potranno essere utili anche per lo sviluppo di sistemi elettronici per dispositivi indossabili, un mercato che ha ampie prospettive di crescita, o per essere applicati a superfici curve.

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L’Università di Trieste è l’istituto italiano che permetterà di considerare diversamente la natura delle batterie per i moderni dispositivi hi-tech. Grazie al lavoro di Alessandro Baraldi, docente di Fisica della materia e responsabile del Laboratorio di Scienze delle superfici del Centro elettra sincrotrone Trieste, sarà possibile utilizzare il grafene per migliorare non solo l’autonomia di cellulari e tablet ma anche per realizzare monitor più sottili, chip più potenti e ridurre il riscaldamento di computer tower e notebook, tutto grazie alle proprietà del materiale resistente come il diamante e flessibile come la plastica. Dall’era del silicio a quella del grafene. Così Baraldi ha sintetizzato i risultati del lavoro del proprio team e di quello di ricercatori del Cnr e provenienti dalla Spagna, Danimarca e Regno Unito. Proprio le capacità del grafene consentirebbero l’utilizzo in vari campi e per applicazioni differenti, un salto in avanti fondamentale per il nuovo corso della produzione di oggetti tecnologici.

Non bisogna surriscaldarsi

Non a caso il grafene è un “erede” del silicio. Entrambi sono eccellenti conduttori di corrente ma le nuove applicazioni permetteranno una dispersione del calore davvero ridotta. A differenza del silicio, che con l’elevato utilizzo tende a far riscaldare tutto il dispositivo, il grafene permette il passaggio di corrente “a temperatura ambiente”, un vantaggio non da poco se si vuole progredire verso strutture (sia desktop che mobili) sempre più potenti. Il lavoro del gruppo triestino ha permesso di combinare il grafene con l’ossido di alluminio, una tecnica che permette di utilizzare il materiale anche nei dispositivi elettronici (combinato quindi ad altri) senza un’alterazione della sua struttura primaria, evitando un declassamento delle sue proprietà. La prima applicazione potrebbe riguardare proprio batterie per device mobili più potenti ma ridotte in termini di dimensioni e prive di un riscaldamento eccessivo. Partendo dalle applicazioni di Andre Geim e di Kostantin Novoselov dell’Università di Manchester (entrambi Premi Nobel per la Fisica nel 2010) si può guardare al futuro del grafene in maniera decisamente più ottimista.

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