Immergendo carta o tessuto ordinario in uno speciale inchiostro infuso con nanoparticelle, L'ingegnere di Stanford Yi Cui ha trovato un modo per produrre in modo economico ed efficiente batterie di carta leggera e supercondensatori (che, come batterie, immagazzinare energia, ma con mezzi elettrostatici piuttosto che chimici), oltre che estensibile, tessuti conduttivi noti come "eTextiles" - in grado di immagazzinare energia mantenendo le proprietà meccaniche della normale carta o tessuto.

Mentre la tecnologia è ancora nuova, Il team di Cui ha previsto numerosi usi funzionali per le loro invenzioni. Le case del futuro potrebbero un giorno essere rivestite con carta da parati che immagazzina energia. Gli amanti dei gadget sarebbero in grado di caricare i loro apparecchi portatili in movimento, semplicemente collegandoli a una presa intrecciata nelle loro magliette. I tessuti energetici potrebbero essere utilizzati anche per creare abbigliamento da esposizione in movimento, abbigliamento sportivo reattivo ad alte prestazioni e potenza indossabile per l'equipaggiamento da battaglia di un soldato.

Gli ingredienti chiave nello sviluppo di questi prodotti high-tech non sono visibili all'occhio umano. Nanostrutture, che possono essere assemblati in modelli che consentono loro di trasportare elettricità, può fornire le soluzioni ad una serie di problemi riscontrati con i dispositivi di accumulo elettrico attualmente disponibili sul mercato.

Il tipo di nanoparticella utilizzata nei dispositivi sperimentali del gruppo Cui varia in base alla funzione prevista del prodotto:l'ossido di litio e cobalto è un composto comune utilizzato per le batterie, mentre i nanotubi di carbonio a parete singola, o SWNT, sono usati per i supercondensatori.

Cui, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, guida un gruppo di ricerca che studia nuove applicazioni di materiali su scala nanometrica. L'obiettivo, disse Cui, non è solo fornire risposte a domande teoriche ma anche perseguire progetti con valore pratico. Recentemente, il suo team si è concentrato sui modi per integrare la nanotecnologia nel regno dello sviluppo energetico.

"Lo stoccaggio di energia è un campo di ricerca piuttosto vecchio, " disse Cui. "Supercondensatori, batterie - quelle cose sono vecchie. Come si fa davvero ad avere un impatto rivoluzionario in questo campo? Richiede una differenza di pensiero piuttosto drammatica".

Mentre i dispositivi di accumulo di energia elettrica hanno fatto molta strada da quando Alessandro Volta ha presentato la prima cella elettrica al mondo nel 1800, la tecnologia sta affrontando un'altra rivoluzione. Gli attuali metodi di produzione di dispositivi di accumulo di energia possono essere ad alta intensità di capitale e pericolosi per l'ambiente, e i prodotti finali hanno notevoli limiti di prestazioni:le batterie agli ioni di litio convenzionali hanno una capacità di stoccaggio limitata e sono costose da produrre, mentre i condensatori tradizionali forniscono un'elevata potenza ma a scapito della capacità di accumulo di energia.

Con un piccolo aiuto dalla nuova scienza, le batterie del futuro potrebbero non assomigliare affatto alle ingombranti unità metalliche a cui ci siamo abituati. La nanotecnologia è favorita come rimedio sia per il suo appeal economico che per la sua capacità di migliorare le prestazioni energetiche nei dispositivi che la integrano. Sostituendo gli anodi di carbonio (grafite) presenti nelle batterie agli ioni di litio con anodi di nanofili di silicio, Per esempio, ha il potenziale per aumentare la loro capacità di stoccaggio di 10 volte, secondo gli esperimenti condotti dal team di Cui.

Il silicio era stato precedentemente riconosciuto come un materiale anodico favorevole perché può contenere una maggiore quantità di litio rispetto al carbonio. Ma le applicazioni del silicio erano limitate dalla sua incapacità di sostenere lo stress fisico, vale a dire, l'aumento di volume quadruplo che subisce il silicio quando gli ioni di litio si attaccano a un anodo di silicio nel processo di ricarica di una batteria, così come il restringimento che si verifica quando gli ioni di litio vengono estratti mentre si scarica. Il risultato fu che le strutture di silicio si sarebbero disintegrate, facendo perdere agli anodi di questo materiale molta se non tutta la loro capacità di immagazzinamento.

Cui e collaboratori hanno dimostrato in precedenti pubblicazioni su Nature, Nanotecnologia e Nano Lettere che l'uso di elettrodi di batteria a nanofili di silicio, meccanicamente in grado di resistere all'assorbimento e alla scarica di ioni di litio, era un modo per aggirare il problema.

I risultati sono promettenti per lo sviluppo di batterie al litio ricaricabili che offrono un ciclo di vita più lungo e una maggiore capacità energetica rispetto ai loro contemporanei. La tecnologia dei nanofili di silicio potrebbe un giorno trovare una casa nelle auto elettriche, dispositivi elettronici portatili e dispositivi medici impiantabili.

Cui ora spera di dirigere la sua ricerca verso lo studio sia della "scienza dura" dietro le proprietà elettriche dei nanomateriali sia per la progettazione di applicazioni del mondo reale.

"Questo è il momento giusto per vedere davvero cosa impariamo dalla nanoscienza e realizzare applicazioni pratiche estremamente promettenti, " ha detto Cui. "La bellezza di questo è, combina la tecnologia più economica che puoi trovare con la nanotecnologia più alta per produrre qualcosa di eccezionale. Penso che questa sia un'idea molto eccitante... un enorme impatto per la società".