Anche se il Premio Nobel per la Fisica 2014 ha sancito i diodi a emissione di luce (LED) come la soluzione di illuminazione ad alta efficienza energetica più significativa e dirompente di oggi, gli scienziati di tutto il mondo continuano senza sosta a cercare le lampadine ancora migliori di domani.

Entra nell'elettronica al carbonio.

Elettronica a base di carbonio, in particolare i nanotubi di carbonio (CNT), stanno emergendo come successori del silicio per la produzione di materiali semiconduttori. E possono consentire una nuova generazione di persone più luminose, a bassa potenza, dispositivi di illuminazione a basso costo che potrebbero sfidare il predominio dei diodi a emissione di luce (LED) in futuro e contribuire a soddisfare la domanda sempre crescente della società di lampadine più ecologiche.

Gli scienziati dell'Università di Tohoku in Giappone hanno sviluppato un nuovo tipo di sorgente luminosa piatta ad alta efficienza energetica basata su nanotubi di carbonio con un consumo energetico molto basso di circa 0,1 Watt per ogni ora di funzionamento, circa cento volte inferiore a quello di un LED.

Nel diario Rassegna di strumenti scientifici , dall'editoria AIP, i ricercatori dettagliano la fabbricazione e l'ottimizzazione del dispositivo, che si basa su uno schermo al fosforo e nanotubi di carbonio a parete singola come elettrodi in una struttura a diodo. Puoi pensarlo come un campo di filamenti di tungsteno ridotto a proporzioni microscopiche.

Hanno assemblato il dispositivo da una miscela liquida contenente nanotubi di carbonio a parete singola altamente cristallini dispersi in un solvente organico mescolato con una sostanza chimica simile al sapone nota come tensioattivo. Quindi, hanno "dipinto" la miscela sull'elettrodo positivo o sul catodo, e ha graffiato la superficie con carta vetrata per formare un pannello leggero in grado di produrre un grande, corrente di emissione stabile ed omogenea a basso consumo energetico.

"Il nostro semplice pannello a 'diodo' potrebbe ottenere un'elevata efficienza di luminosità di 60 Lumen per Watt, che racchiude ottime potenzialità per un apparecchio di illuminazione a basso consumo energetico, " disse Norihiro Shimoi, il ricercatore capo e professore associato di studi ambientali presso l'Università di Tohoku.

L'efficienza della luminosità indica alle persone quanta luce viene prodotta da una fonte di illuminazione quando si consuma una quantità unitaria di energia elettrica, che è un indice importante per confrontare l'efficienza energetica dei diversi dispositivi di illuminazione, Shimoi ha detto. Ad esempio, I LED possono produrre 100 lumen per Watt e gli OLED (LED organici) circa 40.

Sebbene il dispositivo abbia una struttura simile a un diodo, il suo sistema di emissione della luce non è basato su un sistema a diodi, che sono costituiti da strati di semiconduttori, materiali che agiscono come un incrocio tra un conduttore e un isolante, le cui proprietà elettriche possono essere controllate con l'aggiunta di impurezze chiamate droganti.

I nuovi dispositivi hanno sistemi di luminescenza che funzionano più come tubi a raggi catodici, con nanotubi di carbonio che fungono da catodi, e uno schermo al fosforo in una cavità del vuoto che funge da anodo. Sotto un forte campo elettrico, il catodo emette stretto, fasci di elettroni ad alta velocità attraverso le sue punte affilate di nanotubi, un fenomeno chiamato emissione di campo. Gli elettroni poi volano attraverso il vuoto nella cavità, e fai brillare lo schermo al fosforo.

"Abbiamo scoperto che un catodo con nanotubi di carbonio a parete singola altamente cristallini e un anodo con uno schermo al fosforo migliorato nella nostra struttura a diodo non ha ottenuto alcuna corrente di emissione di campo sfarfallio e una buona omogeneità di luminosità, " disse Shimoi.

Le sorgenti di elettroni a emissione di campo attirano l'attenzione degli scienziati grazie alla loro capacità di fornire intensi fasci di elettroni che sono circa mille volte più densi del catodo termoionico convenzionale (come i filamenti di una lampadina a incandescenza). Ciò significa che le sorgenti di emissione di campo richiedono molta meno energia per funzionare e producono un flusso di elettroni molto più direzionale e facilmente controllabile.

Negli ultimi anni, i nanotubi di carbonio sono emersi come un materiale promettente per gli emettitori di campi di elettroni, grazie alla loro forma ad ago su scala nanometrica e alle straordinarie proprietà di stabilità chimica, conducibilità termica e resistenza meccanica.

I nanotubi di carbonio a parete singola altamente cristallini (HCSWCNT) hanno quasi zero difetti nella rete di carbonio sulla superficie, Shimoi ha spiegato. "La resistenza dell'elettrodo catodico con nanotubo di carbonio a parete singola altamente cristallino è molto bassa. Pertanto, il nuovo dispositivo a schermo piatto ha una minore perdita di energia rispetto ad altri dispositivi di illuminazione attuali, che può essere utilizzato per realizzare catodi ad alta efficienza energetica che con un basso consumo energetico."

"Molti ricercatori hanno tentato di costruire sorgenti luminose con nanotubi di carbonio come emettitori di campo, " ha detto Shimoi. "Ma nessuno ha sviluppato un dispositivo di illuminazione equivalente e più semplice."

Considerando il passaggio principale per la produzione del dispositivo, il processo di rivestimento a umido è un processo a basso costo ma stabile per fabbricare film di grandi dimensioni e uniformemente sottili, il dispositivo di emissione a piano piatto ha il potenziale per fornire un nuovo approccio all'illuminazione nello stile di vita delle persone e ridurre le emissioni di anidride carbonica sulla terra, Shimoi ha detto.