Silvija Gradečak ha grandi intenzioni per i piccoli ingredienti. Il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali al MIT si concentra sulla conversione dell'energia e sulla raccolta della luce attraverso l'uso di nanomateriali. È a queste scale microscopiche che può personalizzare i singoli componenti, unire le parti, e creare un nuovo tipo di materiale.

Il lavoro non è privo di sfide:c'è la necessità di comprendere e bilanciare delicatamente i pezzi su scala atomica e quindi essere in grado di prendere le scoperte fatte in laboratorio e applicarle a uno spazio di lavoro più grande.

Ma ci sono anche grandi possibilità:le sue celle solari potrebbero assorbire e utilizzare più luce solare. Le sue lampadine potrebbero durare più a lungo, e i suoi dispositivi termoelettrici potrebbero assorbire il calore che altrimenti andrebbe perso e trasformarlo in energia. "Stiamo cercando più efficienti, più rispettoso dell'ambiente, e tecnologia meno costosa con nuove capacità, "dice Gradečak.

Lavorare in spazi chiusi

Un vantaggio dell'utilizzo dei nanomateriali è la loro scala, dice Gradečak. Le dimensioni limitate sono ideali per personalizzare le proprietà degli elettroni, fotoni, e protoni, fornendo la possibilità di progettare singoli componenti su nanoscala e, utilizzando metodi di sintesi, controllarne le proprietà e le prestazioni. Per esempio, modificando le dimensioni e la composizione dei nanomateriali, Gradečak può modificare il gap di banda di energia di un semiconduttore, permettendo ai fotoni di diverse energie di essere assorbiti in un nuovo tipo di cella solare.

La ricerca è agli inizi, ma Gradečak dice che esiste il potenziale per varie applicazioni di raccolta della luce, in particolare quando si tratta di efficienza. Così com'è, entro un'ora, la Terra riceve abbastanza luce solare per fornire un anno di energia. Il problema è che solo una parte della luce solare viene utilizzata con l'attuale tecnologia solare.

Le cellule di Gradečak potrebbero essere personalizzate per assorbire diverse lunghezze d'onda e composte da diversi tipi di nanomateriali:nanofili, nanoparticelle, e grafene, ciascuno dei quali ha una funzione specifica nel nuovo tipo di celle solari. I dispositivi potrebbero essere posizionati su edifici e altre superfici per tenere conto delle esigenze sia di un'applicazione specifica che di una determinata posizione geografica. Aggiungendo a ciò, le nuove celle solari sono flessibili, leggero, e trasparente:le celle non sarebbero limitate nel loro posizionamento, ma ora potrebbe essere utilizzato su superfici curve e in movimento, come automobili e vestiti. "Raccogliere la luce solare diventerebbe una questione di convenienza, " lei dice.

Giocare con i colori

Un altro dei suoi progetti si concentra sullo sviluppo di diodi emettitori di luce:le attuali fonti di luce artificiale potrebbero durare più a lungo ed essere più efficienti. Come dice Gradečak, generano più calore che luce. Le lampadine basate su diodi semiconduttori esistono e sono già più efficienti, ma sono anche più costosi. I nanofili potrebbero contenere la soluzione. Possono essere coltivate su una varietà di substrati, abbassando così i costi, e non contengono i difetti inerenti alla tecnologia attuale.

La sfida con la produzione di sorgenti luminose è produrre gli stessi colori e intensità del sole, e rendendoli confortevoli per l'occhio umano. Nel laboratorio di Gradečak, sta progettando un dispositivo in grado di emettere verdure, blues, e rossi in diverse proporzioni. Con le nanotecnologie, può sintonizzare la banda proibita dei materiali e di conseguenza cambiare la lunghezza d'onda. Contemporaneamente, sta lavorando a una tecnologia che produce luce blu che viene trasformata in rossi e verdi in proporzioni diverse con l'uso di materiali al fosforo, che assorbono la luce blu e la riemettono in un colore diverso.

La sfida principale per realizzare una transizione di successo è comprendere i nanocomponenti e farli funzionare insieme. Gradečak ha sviluppato una tecnica di caratterizzazione in grado di determinare come la modifica della composizione e della morfologia dei nanomateriali modifica le proprietà ottiche. O, come dice lei, "Quali sono le manopole che dobbiamo sintonizzare durante la sintesi per ottenere funzionalità specifiche?"

Insieme a quello, Gradečak sta cercando modi per migliorare la flessibilità e l'efficienza delle celle solari, in particolare attraverso elettrodi trasparenti. È qui che il suo uso del grafene gioca un ruolo chiave. Attualmente, l'ossido di indio e stagno è lo standard del settore, ma è costoso. Il grafene ha uno strato di atomi di carbonio, così come la necessaria conduttività e flessibilità. La domanda che Gradečak continua a esplorare è come depositare materiali sul grafene in modo da interfacciarli e produrre una cella solare funzionante.

Controllo della temperatura

Uno dei suoi altri progetti riguarda lo sviluppo di un dispositivo termoelettrico. Simile a una cella solare, questo sfrutterebbe l'energia termica e la convertirebbe in elettricità. Per esempio, il motore di un'auto genera una temperatura elevata, ma la maggior parte di quell'energia va sprecata. La sua speranza è catturare quel calore e infine usarlo per alimentare i sistemi elettrici del veicolo. fatto un passo in più, le celle solari potrebbero essere posizionate su quella stessa macchina per riscaldarla o raffreddarla. "È uno sviluppo che è ben proiettato nel futuro, ma uno che aprirebbe nuovi modi di pensare all'energia, "dice Gradečak.

Con tutto il suo lavoro, un aspetto essenziale è padroneggiare la questione della scala. Sta lavorando con atomi di materiali diversi. Ognuno può essere personalizzato, ma giocare con uno può influenzare gli altri in modi indicibili. L'interazione e l'equilibrio corretti possono essere trovati, ma questo è solo un pezzo dell'equazione. Il passo successivo e necessario nel processo è prendere una scoperta in laboratorio che funziona a 1 pollice quadrato e tradurla nella vita reale, pratico, dimensioni richieste dal settore, il tutto preservando la qualità e l'efficienza.

"I nanomateriali offrono opportunità entusiasmanti, e capire come tradurre le loro proprietà su scala macroscopica è la chiave per la scalabilità e le nuove applicazioni energetiche che attualmente non esistono, "dice Gradečak.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.