[24/04/2012] News
Gli ossidi metallici salveranno la green energy e la green economy?
Louis Piper, del dipartimento di fisica, fisica applicata ed astronomia dell'università statunitense di Binghamton, New York, è uno dei ricercatori che hanno pubblicato su Physical Review B dell'American Physical Society, lo studio "Role of lone pair electrons in determining the optoelectronic properties of BiCuOSe" e spiega come il problema dei materiali necessari a sviluppare la green energy e la green economy possa essere risolto con l'utilizzo di metalli comuni e più comunemente disponibili.
«Un semiconduttore è un materiale con conducibilità elettrica di magnitudo intermedia tra quella di un conduttore e un isolante - dice Piper - I materiali semiconduttori sono alla base della moderna elettronica, inclusi radio, computer, telefoni, e molti altri dispositivi. Tali dispositivi comprendono transistor e circuiti integrati analogici e digitali. Anche i "transition metal oxides" rientrano in questa categoria di materiali. Ma questi materiali sono relativamente rari e costosi. Sfruttare l'energia della luce solare può essere semplice come sintonizzare le proprietà ottiche ed elettroniche degli ossidi di metalli a livello atomico, realizzando un cristallo artificiale o un "super-lattice sandwich". Gli ossidi metallici sono a buon mercato, abbondanti e green e, come ha dimostrato lo studio, molto versatili. Con il giusto tocco, gli ossidi metallici possono essere adattati per soddisfare tutti i tipi di esigenze, il che è una buona notizia per le applicazioni tecnologiche, in particolare nella produzione di energia e di display a schermo piatto».
Il team di ricercatori statunitensi e giapponesi spiega che «I semiconduttori sono un'importante classe di materiali tra i metalli e gli isolanti e sono definiti dalle dimensioni della loro "band gap", che rappresenta l'energia necessaria per eccitare un elettrone da un "occupied shell" ad un "occupied shell" dove può condurre elettricità. La luce visibile copre un range da i 1 (infrarosso) a 3 (ultravioletto) electron volts. Per i conduttori trasparenti, è richiesto un "large band gap", mentre per la fotosintesi artificiale è necessario un band gap corrispondente alla luce verde. Gli ossidi metallici forniscono un mezzo di adattamento del band gap».
In una nota l'università di Binghamton scrive che «Gli ossidi metallici sono molto efficaci nel condurre gli elettroni, ma sono "hole conductors" molto meno efficienti. Gli "holes" fanno riferimento alla mancanza di elettroni e possono portare ad una carica positiva. Per massimizzare il loro potenziale tecnologico, in particolare per la fotosintesi artificiale e l'elettronica invisibile, e necessario che gli "hole" conducano ossidi metallici». Sapendo questo, Piper ha iniziato a studiare i sistemi degli strati di ossidi metallici che possono essere combinati per "selectively dope" (sostituire un piccolo numero di un tipo di atomo nel materiale), o "tune" (controllare la dimensione del band gap), inoltre recenti lavori hanno rivelato che un super-lattice di due hole-conduttori di ossidi di rame potrebbe coprire l'intero spettro solare. L'obiettivo è quello di migliorare le prestazioni durante l'utilizzo di metalli alternativi rispettosi dell'ambiente ed economici.
«Sta diventando sul serio un caso da lavoro di un detective. Stiamo lavorando in un mondo dove la fisica e la chimica si sovrappongono. E abbiamo raggiunto il limite teorico dei nostri calcoli e dei processi fondamentali. Ora abbiamo bisogno di controllare i calcoli e vedere dove ci mancano delle cose. Credo che troveremo quelli pezzi mancanti giocando con gli ossidi metallici».
L'ossido di indio è un esempio di quel che potrebbe essere sostituito con la nuova tecnologia: viene utilizzato in alcuni tipi di batterie, film sottili che riflettono gli infrarossi e trasparenti alla luce visibile (hot mirrors), in alcuni rivestimenti ottici e in rivestimenti antistatici ed è uno degli ossidi più comunemente usati nella produzione di rivestimenti per schermi piatti e celle solari, ma è anche raro e molto costoso. In combinazione con il biossido di stagno, molto più disponibile ed economico, l'ossido di indio forma l'"indium tin oxide" un materiale utilizzato per rivestimenti conduttivi trasparenti.
Piper è convinto che «Rafforzando i "'good bits" degli ossidi metallici 'e minimizzando i "rough spots" è possibile sviluppare nuovi ed eccitanti tipi di ossidi metallici che possono essere adattati per applicazioni specifiche. Sono proprio alla nostra portata. Stiamo parlando di stoccaggio in batterie, celle a combustibile, della tecnologia touch screen e di tutti i tipi di computer switches. Siamo nel mezzo di una corsa all'oro molto importante ed è molto eccitante essere parte di questa gara così ricca, ma dobbiamo prima capire che cosa non sappiamo fare, prima di poter capire ciò che faremo. Una cosa è certa: gli ossidi metallici sono la chiave. E credo che noi della Binghamton University possiamo contribuire a questi sforzi facendo buona scienza e assumendo un atteggiamento moralmente cosciente».