Per un consumatore quotidiano, i migliori gadget sul mercato hanno la massima velocità, la memoria più grande e la durata della batteria più lunga. Inseguendo questa domanda, l’avanguardia della ricerca spesso considera solo questi parametri prestazionali tangibili quando innova e progetta l’elettronica di prossima generazione. Sulla scia di questa corsa precipitosa tecnologica, gli impatti ambientali a lungo termine giacciono oscurati e trascurati sotto la polvere.

I ricercatori dell’Università di Tecnologia e Design di Singapore (SUTD) sperano di essere il catalizzatore di una scienza orientata alla sostenibilità. Il professore assistente Ang Yee Sin della facoltà di Scienze, Matematica e Tecnologia (SMT) osserva che molti materiali presenti nei dispositivi semiconduttori convenzionali provengono da processi di estrazione dannosi per l'ambiente, sono inquinanti ad alto rischio o pongono gravi rischi per la salute umana.

"La sostenibilità a livello materiale della tecnologia dei dispositivi a semiconduttore è in gran parte ignorata. Inoltre, si prevede che molti elementi utilizzati nei dispositivi a semiconduttore si esauriranno entro i prossimi 100 anni", ha aggiunto, sollevando preoccupazione per la sostenibilità end-to-end a lungo termine. .

Tenendo presenti queste considerazioni, il suo gruppo di ricerca ha proposto un nuovo quadro unificante che identifica materiali a basso rischio per un ulteriore sviluppo. Tre domande principali hanno guidato il loro approccio:1) Quanto sono abbondanti le materie prime? 2) Come possiamo ottenerli? 3) Qual è il loro destino al termine della loro vita operativa?

"A lungo termine, anche l'elettronica dovrebbe essere 'guidata dal clima'. Le materie prime della tecnologia dei semiconduttori e dell'elettronica devono essere compatibili con l'agenda globale del cambiamento climatico", ha affermato il prof. Ang.

L'Asst Prof Ang e il suo team hanno cercato collaborazioni con ricercatori provenienti da Stati Uniti, Cina e Malesia. I loro risultati sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Verso materiali van der Waals con bandgap ultrawide sostenibile:uno sforzo di screening ab initio", in Materiali funzionali avanzati .

Nel loro studio, si sono concentrati su metodi computazionali all'avanguardia utilizzati per integrare il campo in crescita delle nanostrutture e dei materiali 2D ultrasottili. Con l'avvento dei moderni sistemi di supercalcolo, dei database completi e dei software ad alta efficienza, lo screening computazionale basato sulla simulazione è diventato un accessorio popolare per accelerare la formulazione dei materiali 2D. Questo approccio seleziona i materiali candidati per precisi sforzi di prototipazione sperimentale.

Tuttavia, i ricercatori sono spesso dissuasi dall'esaminare opzioni sicure dal punto di vista ambientale, ritenendo che l'applicazione di criteri di screening orientati alla sostenibilità potrebbe ridurre sostanzialmente il numero di forti contendenti disponibili per applicazioni specifiche e portare a scarse prestazioni nel prodotto finale.

Per dimostrare la fattibilità della ricerca sui materiali sostenibili, il team ha pubblicato un'analisi dei possibili materiali costituenti disponibili per la progettazione sostenibile di semiconduttori con bandgap ultralargo (UWBG). Questa particolare classe di semiconduttori svolge un ruolo fondamentale in molte applicazioni:dai transistor presenti nei computer e negli smartphone all'elettronica nei veicoli e ai sensori UV nei rilevatori di incendio e nelle tecnologie sanitarie.

Nel loro studio, il team ha imposto vincoli rigorosi alla ricerca di materiali ideali. Questi materiali non devono comportare rischi per l'ambiente, non sono pericolosi per la salute umana e non corrono alcun pericolo di esaurimento. Inoltre, devono soddisfare i requisiti chiave per fungere da semiconduttori UWBG:devono essere adatti al funzionamento in standby a basso consumo, essere meccanicamente robusti e funzionare bene come rilevatori UV. Il team voleva anche materiali che potessero essere facilmente sintetizzati in laboratorio per garantire l'accessibilità per una ricerca più approfondita.

In queste condizioni di ricerca, i ricercatori hanno consolidato sistematicamente i materiali candidati ed eseguito calcoli ispirati ai quanti dai fondamenti (ab initio) per garantire precisione e prestazioni costanti. Dalle 3.000 voci originali nel database dei materiali, l'algoritmo di ricerca ha selezionato solo 25 candidati rimanenti. Sulla base di studi precedenti, è stato riscontrato che questi materiali candidati presentano prestazioni elevate in un'ampia gamma di applicazioni.

"Il nostro quadro di screening dei materiali si concentra non solo sugli scenari applicativi e sugli indicatori chiave di prestazione, ma anche sui criteri di sostenibilità che eliminano i materiali composti da elementi ad alto rischio. Questo quadro ci consente di identificare materiali candidati che dimostrano prestazioni elevate e sono anche sostenibili a livello del materiale. livello", ha spiegato il Prof Ang.

I risultati del team mostrano che la ricerca orientata alla sostenibilità è possibile, raggiungendo l'equilibrio tra prestazioni e sostenibilità. Il Prof. Ang ha affermato:"Il nostro quadro di screening dei materiali motivato dalla sostenibilità può fungere da strumento fondamentale per cercare gli elementi costitutivi di un panorama elettronico più verde, in cui i dispositivi non sono solo più veloci, più leggeri, più economici e hanno una durata della batteria più lunga, ma rispettoso dell'ambiente e della salute umana."

Andando oltre la loro dimostrazione, l'Asst Prof Ang è fiducioso che la struttura sviluppata possa essere utilizzata per altre classi di materiali. Con la crescente consapevolezza del peso antropologico sull'ambiente, la ricerca offre a scienziati, ingegneri e ricercatori un'entusiasmante piattaforma per ripensare le tecnologie di prossima generazione e la loro compatibilità con le agende verdi globali.

Asst Prof Ang è ansioso di generalizzare la propria innovazione nello screening dei materiali ad altri materiali 2D. L'obiettivo a lungo termine del team è classificare e assegnare un punteggio ai materiali 2D in base al loro impatto ambientale per fornire una linea guida olistica che possa informare ulteriormente gli studi futuri.

Ulteriori informazioni: Chuin Wei Tan et al, Toward Sustainable Ultrawide Bandgap van der Waals Materials:An ab initio Screening Effort, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679

Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati

Fornito dall'Università di Tecnologia e Design di Singapore