Nel mondo dell'elettricità, il rame è il re, per ora. Ciò potrebbe cambiare con la nuova ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) che sta proponendo una ricetta per aumentare la conduttività dell'alluminio, rendendolo economicamente competitivo con il rame. Questa ricerca apre le porte a esperimenti che, se pienamente realizzati, potrebbero portare a un'alternativa in alluminio ultraconduttivo al rame che sarebbe utile in mercati al di là delle linee di trasmissione, rivoluzionando i veicoli, l'elettronica e la rete elettrica.

"E se potessi rendere l'alluminio più conduttivo, anche l'80% o il 90% più conduttivo del rame? Potresti sostituire il rame e ciò farebbe un'enorme differenza perché l'alluminio più conduttivo è più leggero, più economico e più abbondante", ha affermato Keerti Kappagantula, Scienziato dei materiali PNNL e coautore della ricerca. "Questo è il problema generale che stiamo cercando di risolvere."

Rame contro alluminio

La domanda di rame sta rapidamente superando la sua attuale disponibilità, aumentandone i costi. Il rame è un ottimo conduttore elettrico, viene utilizzato in tutto, dall'elettronica portatile ai cavi di trasmissione subacquei che alimentano Internet, ma non si può sfuggire al fatto che il rame sta diventando meno disponibile e più costoso. Queste sfide dovrebbero solo peggiorare con il numero crescente di veicoli elettrici (EV), che richiedono il doppio del rame rispetto ai veicoli tradizionali. Inoltre, il rame è pesante, il che riduce l'efficienza dei veicoli elettrici.

L'alluminio è solo un terzo del prezzo e del peso del rame, ma è solo il 60% circa come conduttivo. La conduttività relativamente bassa dell'alluminio può essere una limitazione in alcune applicazioni del mondo reale.

"La conduttività è fondamentale perché un cavo più leggero con conduzione equivalente può essere utilizzato per progettare motori più leggeri e altri componenti elettrici, in modo che il tuo veicolo possa potenzialmente percorrere distanze maggiori", ha affermato Kappagantula. "Tutto, dall'elettronica di un'auto alla generazione di energia, alla trasmissione di quell'energia a casa tua attraverso la rete per caricare la batteria della tua auto, tutto ciò che funziona a elettricità, può diventare tutto più efficiente".

Aumentare la conduttività dell'alluminio sarebbe un punto di svolta.

"Per anni abbiamo pensato che i metalli non potessero essere resi più conduttivi. Ma non è così", ha spiegato Kappagantula. "Se modifichi la struttura del metallo e introduci i giusti additivi, puoi davvero influenzarne le proprietà".

Per iniziare a capire quanta conducibilità dell'alluminio potrebbe essere aumentata, Kappangantula e la borsista post-dottorato del PNNL Aditya Nittala hanno collaborato con il distinto professor David Drabold e lo studente laureato Kashi Subedi della Ohio University per identificare gli effetti della temperatura e dei difetti strutturali nella conducibilità dell'alluminio e sviluppare una ricetta atomo per atomo per aumentarne la conduttività.

Un modello di successo

Questo tipo di simulazione molecolare non era mai stata eseguita prima per i metalli, quindi i ricercatori hanno dovuto essere creativi. Hanno cercato ispirazione nei semiconduttori perché ricerche precedenti avevano simulato con successo la conduttività in questi materiali a base di silicio e alcuni ossidi di metallo. Il team ha adattato questi concetti per lavorare con l'alluminio e ha simulato cosa sarebbe successo alla conduttività del metallo se i singoli atomi nella sua struttura fossero stati rimossi o riorganizzati. Questi piccoli cambiamenti si sono sommati a grandi guadagni nella conduttività totale.

La capacità del modello di simulare le condizioni del mondo reale ha sorpreso anche il team. "Non pensavamo che questi risultati sarebbero stati così vicini alla realtà", ha affermato Kappagantula. "Questo modello di simulazione basato sulla struttura atomica e sui suoi diversi stati è così preciso che pensavo, 'Wow, è proprio sul bersaglio.' È molto eccitante."

Con una ricetta teorica per alterare la conduttività del metallo ora chiara, i ricercatori hanno in programma di vedere quanto possono aumentare la conduttività dell'alluminio in laboratorio per abbinare la teoria ai risultati sperimentali. Stanno anche esplorando la possibilità di aumentare la conduttività di altri metalli utilizzando le stesse simulazioni.

La ricerca è pubblicata in Physical Review B e il team prevede che l'alluminio più conduttivo avrebbe implicazioni di vasta portata:qualsiasi applicazione che utilizzi elettricità o rame potrebbe trarre vantaggio dallo sviluppo di alluminio economico, leggero e ultra conduttivo. + Esplora ulteriormente

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