Materiali migliori e più economici
Batterie potenti, semiconduttori luminosi, rivelatori sensibili: il chimico Maksym Kovalenko sta lavorando a materiali più potenti e più economici di quelli utilizzati oggi.
Ferro, sodio, magnesio e zolfo: Maksym Kovalenko, professore assistente di materiali funzionali inorganici all'ETH di Zurigo, e i suoi collaboratori dell'Empa di Dübendorf vogliono costruire una potente batteria a partire da questi quattro semplici elementi chimici.
L'obiettivo dei ricercatori è quello di superare un dilemma di principio nell'immagazzinamento dell'elettricità con le batterie. Sebbene le promettenti batterie al litio utilizzate nelle auto elettriche, ad esempio, siano potenti, la loro idoneità per i grandi sistemi stazionari è limitata. Questo perché l'elemento leggero è deciso solo in quantità limitate. Pertanto, difficilmente sarà possibile realizzare con esso sistemi di accumulo elettrico su larga scala.
Kovalenko pensa a sistemi di batterie 1000 volte più grandi di quelle delle auto elettriche. "Per tali impianti abbiamo bisogno di materiali poco costosi e disponibili in quantità sufficienti", è convinto lo scienziato di origine ucraina. Se ci si orienta in base a queste rigide specifiche, come ricercatore si è naturalmente molto limitati. In definitiva, solo pochi elementi dell'intera tavola periodica sono possibili candidati.
La pirite come fattore chiave
Nonostante queste rigorose restrizioni, Kovalenko ha ottenuto il suo primo successo. Il prototipo di batteria che ha sviluppato è costituito da un anodo di magnesio e da un catodo di solfuro di ferro cristallino, noto anche come pirite o (popolarmente) oro degli sciocchi. Come elettrolita i ricercatori utilizzano una soluzione di ioni di magnesio e sodio. La batteria di prova in laboratorio ha resistito a 40 cicli di carica e scarica senza alcuna perdita significativa di prestazioni: un risultato promettente per ulteriori sviluppi.
Tuttavia, ci vorrà ancora un po' di tempo prima che ci siano applicazioni pratiche. "Siamo davvero solo all'inizio della ricerca", spiega il chimico. "Se si considera che ci sono voluti 30 anni per sviluppare le batterie al litio fino al loro attuale livello di prestazioni, è chiaro che ci vorranno diversi anni prima che le batterie senza litio come le nostre siano disponibili sul mercato".
Con la tecnologia delle batterie, Kovalenko lavora su un argomento di alto profilo. "Ma in realtà questa è solo una piccola parte del mio lavoro, anche se si tratta di un settore importante", spiega. Un altro punto focale della sua ricerca all'ETH sono i nuovi materiali semiconduttori. Il suo obiettivo è sviluppare materiali che siano migliori o più economici dei composti attuali, o idealmente anche entrambi. Spera che i nuovi materiali possano dare nuovi impulsi in vari settori, ad esempio nella costruzione di celle solari, ma anche nella produzione di schermi o lampade LED.
Il colore chiaro come vantaggio
Kovalenko nutre grandi speranze per gli alogenuri. In queste sostanze, i metalli - ad esempio il cesio e il piombo - si combinano con alogeni come il cloro, il bromo o lo iodio. Questi composti hanno proprietà ideali per le applicazioni citate. Ad esempio, sono in grado di convertire la luce blu o ultravioletta in un colore diverso. "Il nostro obiettivo è sviluppare materiali che siano almeno altrettanto validi delle sostanze attualmente utilizzate dai principali produttori di schermi", spiega Kovalenko. Questi ultimi utilizzano principalmente fosfuri di indio o composti contenenti cadmio.
I materiali studiati dal gruppo di Kovalenko, prodotti come nanoparticelle in sospensione, presentano due vantaggi: In primo luogo, possono essere prodotti in modo molto economico. In secondo luogo, sono molto efficienti. Producono colori puri e la luce può essere convertita con un'elevata efficienza. Poiché il colore chiaro non richiede più un filtro colorato, durante il processo di conversione si perde meno energia rispetto ai materiali convenzionali.
Sebbene lo sviluppo sia progredito a tal punto che questi nuovi composti vengono ora utilizzati per lo sviluppo di prodotti commerciali, Kovalenko ha ancora molto da fare come ricercatore fondamentale: Come crescono esattamente le nanoparticelle in sospensione? Qual è la loro chimica di superficie? E come si comportano le particelle quando sono incorporate in un polimero? "La grande sfida è mantenere la luminosità di queste particelle quando le trasferiamo dalla sospensione a una forma solida", riferisce il chimico.
Ricerca per la sicurezza
I semiconduttori alogenati sono di grande interesse anche in un altro settore: Potrebbero essere utilizzati anche per rilevare le radiazioni gamma radioattive. "Attualmente esistono solo pochi materiali in grado di misurare questi raggi a temperatura ambiente", spiega Kovalenko. "La domanda di materiali economici in grado di registrare le radiazioni radioattive aumenterà nei prossimi anni, non solo in medicina o nella ricerca, ma anche negli aeroporti, ad esempio. "Alla luce dell'attuale minaccia terroristica, sarebbe utile disporre di un materiale poco costoso in grado di registrare queste radiazioni. Il personale addetto alla sicurezza potrebbe quindi essere dotato di tali rilevatori su tutto il territorio".
Tuttavia, la realizzazione non è semplice: per poter registrare i fotoni ad alta energia della radiazione gamma, è necessario un semiconduttore relativamente spesso composto da elementi pesanti. Kovalenko predilige quindi materiali contenenti piombo o cesio. "Al momento siamo in grado di produrre nanoparticelle di questi materiali. Ma per i rivelatori desiderati, abbiamo bisogno di singoli cristalli delle dimensioni di diversi millimetri, cioè un milione di volte più grandi delle nanoparticelle".
Il chimico sta attualmente studiando come far crescere cristalli così grandi nel modo più economico possibile. "Dobbiamo studiare come far crescere centinaia di sostanze nel modo più semplice possibile e se sono adatte come rivelatori", dice. "Almeno questo è già chiaro: i nuovi materiali non richiedono più una fusione pura per far crescere i cristalli, ma "solo" una soluzione acquosa che non deve nemmeno essere particolarmente pura.
Con le batterie e i nuovi materiali semiconduttori, Kovalenko sta lavorando su due aree molto diverse che hanno solo pochi punti di contatto diretto. "Lavorare in questo campo di tensione è una grande sfida, ma anche un arricchimento. Perché ogni area tematica mi offre spunti molto affascinanti sul funzionamento dei materiali".