Mini generatori di elettricità formati da… punti quantici

Il ricercatore Mickael Lucien Perrin vuole costruire minuscole centrali da nano-strisce di grafene, che generano corrente elettrica dal calore

Mickael Lucien Perrin vuole costruire minuscole centrali elettriche da nanoribbons di grafene che generano elettricità dal calore.
Il suo ambizioso progetto gli è valso uno dei prestigiosi “ERC Starting Grants” dell’Unione Europea e una delle 32 “Eccellenza Professorial Fellowships” del Fondo Nazionale Svizzero per la Scienza (FNS). Prenderà una cattedra di assistente al Politecnico Federale di Zurigo, e continuerà le proprie ricerche all’EMPA.
Le macchine e i dispositivi elettronici generano spesso calore di scarto che è difficile da utilizzare. Se l’elettricità potesse essere generata da questo calore residuo, offrirebbe un mezzo per una produzione di energia pulita e sostenibile: una tale tecnologia sarebbe ideale per applicazioni di elettronica a bassa potenza come quelli indossabili o i dispositivi Internet-of-Things a basso costo.
Ciò include, per esempio, dispositivi e sensori indossabili (medici), con una vasta gamma di applicazioni nel settore sanitario e sportivo, in edifici intelligenti e applicazioni di mobilità.
I generatori termoelettrici, macchine che generano elettricità sfruttando le differenze di temperatura, esistono già, ma la loro efficienza di conversione è generalmente bassa e viene prodotta soltanto poca elettricità.
Generarne di più, richiederebbe materiali che abbiano contemporaneamente un’alta conducibilità elettrica e una bassa conducibilità termica. Questi due requisiti, tuttavia, spesso si escludono a vicenda.

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Una conversione termoelettrica migliorata, grazie gli effetti quantistici

Negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno dimostrato che la conversione termoelettrica può essere notevolmente migliorata sfruttando gli effetti quantici.
Per esempio, utilizzando punti quantici che agiscono come filtri di energia altamente selettivi, sono stati riportati drastici aumenti dell’efficienza di conversione, alcuni dei quali si avvicinano addirittura ad alcuni dei limiti stabiliti dalle leggi della termodinamica.
Il problema: le macchine quantistiche, chiamate anche motori termici quantistici, devono essere raffreddate a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, e quindi una possibilità del genere è difficilmente utile nella vita quotidiana.
I ricercatori dell’EMPA potrebbero essere in grado di superare questo problema e creare un motore termico quantistico che funziona a temperatura ambiente.
Mickael Lucien Perrin, ricercatore del laboratorio Transport at Nanoscale del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali guidato da Michel Calame, ha avuto l’idea di utilizzare nano-strisce grafeniche, che sono proprio una specialità dell’EMPA.
I primi nanoribbons di grafene sono stati sintetizzati da un altro gruppo di ricerca del medesimo istituto, con sedi a Dübendorf, San Gallo e Thun: Roman Fasel e i suoi colleghi del laboratorio Nanotech@Surfaces.
Da diversi anni i ricercatori del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali lavorano su diversi approcci per creare dispositivi elettronici da tali nano-strisce.

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Operazioni a temperatura ambiente con l’uso di nanoribbons grafenici

Mickael Lucien Perrin è stato in grado di far comportare i nanoribbons di grafene come punti quantici, con alcuni di essi stabili fino ad una temperatura di -123 gradi Celsius, cioè a temperature molto più alte dei punti quantici usati in precedenza per la conversione termoelettrica.
Ora l’obiettivo è quello di integrare tali nano-strisce grafeniche in un motore termico quantistico e farlo funzionare a temperatura ambiente.
Poiché i nanoribbons sono grandi soltanto pochi nanometri, entrare in contatto con loro richiederà lo sviluppo di tecniche di fabbricazione speciali, che saranno implementate presso il Binnig and Rohrer Nanotechnology Center nel laboratorio di ricerca IBM di Rüschlikon nel Canton Zurigo.
Inoltre, saranno necessari sistemi di misura progettati ad hoc per caratterizzare l’efficienza di conversione dell’energia. Se tutto va come previsto, Mickael Lucien Perrin potrebbe creare un piccolo motore termico su un chip nei prossimi anni.
Non soltanto potrebbe generare elettricità dal calore residuo, ma al contrario, invertendo il principio di funzionamento, sarebbe adatto per un raffreddamento efficiente.
Con il successo e le sue due borse di ricerca, il giovane studioso inizierà nei prossimi mesi la sua cattedra di assistente al Politecnico Federale di Zurigo, nel Dipartimento di Informatica e Ingegneria Elettrica.
Nei prossimi anni, continuerà la sua ricerca all’EMPA, dove sono disponibili attrezzature all’avanguardia per la caratterizzazione termoelettrica dei motori termici quantistici.

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Un peccato l’esclusione (temporanea?) dal programma Horizon Europe

Il finanziamento del progetto di Mickael Lucien Perrin proviene dal FNS e dalla Segreteria di Stato per la Formazione, la Ricerca e l’Innovazione (SEFRI).
A causa del mancato accordo quadro tra la Svizzera e l’Unione Europea, la Svizzera è esclusa dall’attuale programma di ricerca continentale, Horizon Europe.
Per intervenire, quest’anno le sovvenzioni ERC Starting sono finanziate direttamente dalla SEFRI. Questo è l’unico modo per mantenere in Svizzera giovani ricercatori di grande talento.
Per ricevere i fondi stanziati direttamente dalla UE, Mickael Lucien Perrin e gli altri 27 borsisti svizzeri dovrebbero trasferirsi in un’università straniera che fa parte dello Spazio Europeo della Ricerca.

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