Le "materie prime critiche" sono fondamentali per molte industrie europee, ma sono vulnerabili alla scarsità e all'interruzione dell'approvvigionamento. Come tale, è fondamentale che l'Europa sviluppi strategie per soddisfare la domanda di materie prime. Una di queste strategie è trovare metodi o sostanze che possano sostituire le materie prime che utilizziamo attualmente. Con questo in testa, quattro progetti UE che lavorano sulla sostituzione nella catalisi, l'elettronica e la fotonica hanno presentato il loro lavoro al Third Innovation Network Workshop sulla sostituzione delle materie prime critiche ospitato dal progetto CRM_INNONET a Bruxelles all'inizio di questo mese.

NOVACAM

NOVACAM, un progetto coordinato Giappone-UE, mira a sviluppare catalizzatori utilizzando elementi non critici progettati per sbloccare il potenziale della biomassa in una fonte vitale di energia e materie prime chimiche.

Il progetto utilizza un approccio "catalizzatore by design" per lo sviluppo di catalizzatori di nuova generazione (catalizzatori inorganici su scala nanometrica), come ha spiegato il coordinatore del progetto NOVACAM, il prof. Emiel Hensen della Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi. Lanciato nel settembre 2013, il progetto sta sviluppando catalizzatori che incorporano metalli non critici per catalizzare la conversione della lignocellulosa in materie prime chimiche industriali e biocarburanti. La prima parte del progetto è stata quella di sviluppare la chimica principale mentre la seconda parte è stata quella di dimostrare la prova del processo. Il prof. Hensen prevede che forse solo due dei tre concetti sopravviveranno a questa fase.

Il progetto ha già compiuto progressi significativi nella conversione del glucosio e dell'etanolo, secondo il prof. Hensen, e ha prodotto alcune importanti pubblicazioni scientifiche. Il consorzio sta lavorando con un comitato consultivo industriale composto da Shell nell'UE e Nippon Shokubai in Giappone.

GRATIS

Il progetto FREECATS, presentato dal coordinatore del progetto Prof. Magnus Rønning della Norwegian University of Science and Technology, ha lavorato negli ultimi tre anni per sviluppare nuovi catalizzatori privi di metalli. Questi sarebbero sotto forma di nanomateriali sfusi o in strutture organizzate gerarchicamente, entrambi in grado di sostituire i tradizionali catalizzatori a base di metalli nobili nelle trasformazioni catalitiche di importanza strategica.

Il prof. Magnus Rønning ha spiegato che l'applicazione dei nuovi materiali potrebbe eliminare la necessità dell'uso di metalli del gruppo del platino (PGM) e metalli delle terre rare:in entrambi i casi l'Europa dipende molto da altri paesi per questi materiali. Nel corso della sua ricerca, FREECATS si è concentrato in particolare su tre aree:celle a combustibile, la produzione di olefine leggere e la depurazione delle acque e delle acque reflue.

Lavorando per sostituire il platino nelle celle a combustibile, il progetto sostiene l'obiettivo dell'UE di sostituire il motore a combustione interna entro il 2050. Tuttavia, come ha notato il prof. Rønning, mentre il platino è stato ottimizzato per l'uso per diversi decenni, i materiali utilizzati da FREECATS sono nuovi e quindi presentano le nuove sfide che il progetto sta affrontando.

HARFIR

Prof. Atsufumi Hirohata dell'Università di York nel Regno Unito, coordinatore del progetto di HARFIR, ha descritto come il progetto miri alla scoperta di una lega antiferromagnetica che non contenga il metallo raro iridio. L'iridio sta diventando sempre più ampiamente utilizzato in numerosi dispositivi di memorizzazione elettronici di spin, comprese le testine di lettura nei dischi rigidi. L'offerta mondiale dipende dal minerale di platino che proviene principalmente dal Sud Africa. La situazione è molto peggiore rispetto ad altri elementi delle terre rare poiché il prezzo è aumentato negli ultimi anni, secondo il prof. Hirohata.

Il team HARFIR, diviso tra Europa e Giappone, mira a sostituire le leghe di iridio con le leghe di Heusler. La squadra dell'UE, guidato dal Prof. Hirohata, ha lavorato alla preparazione di film sottili policristallini ed epitassiali di leghe Heusler, con il design del materiale guidato da calcoli teorici. La squadra giapponese, guidato dal Prof. Koki Takanashi alla Tohoku University, sta nel frattempo lavorando alla preparazione di film sottili epitassiali, misure di proprietà fondamentali e caratterizzazione strutturale/magnetica mediante fasci di raggi X di neutroni e sincrotrone.

Una delle maggiori sfide è stata che le leghe Heusler hanno una struttura atomica relativamente complicata. In termini di lavoro di HARFIR, se qualsiasi disordine atomico ai margini dei dispositivi nanopillari, le proprietà magnetiche necessarie vengono perse. Il team sta esplorando soluzioni a questa sfida.

IRENA

Il Prof. dell'Università Esko Kauppinen Aalto in Finlandia ha chiuso la prima sessione della mattinata con la presentazione del progetto IRENA. Lanciato nel settembre 2013, il progetto durerà fino a metà 2017 puntando allo sviluppo di materiali ad alte prestazioni, specificamente film sottili di nanotubi di carbonio a parete singola metallici e semiconduttori (SWCNT) per eliminare completamente l'uso dei metalli critici nei dispositivi elettronici. L'obiettivo finale è sostituire l'indio nelle pellicole conduttrici trasparenti, e indio e gallio come semiconduttore nei transistor ad effetto di campo a film sottile (TFT).

Il team IRENA sta sviluppando un'alternativa flessibile, trasparente ed estensibile in modo da poter soddisfare le esigenze dell'elettronica del futuro, inclusa la possibilità di stampare l'elettronica.

IRENA coinvolge tre partner europei e tre giapponesi. Il team ha esperienza nella sintesi di nanotubi, produzione di film sottili e produzione di dispositivi flessibili, modellazione della crescita dei nanotubi e dei processi di trasporto di carica del film sottile, e il progetto ha beneficiato degli scambi di membri del team tra le istituzioni. Uno dei risultati chiave finora è che il progetto è riuscito a utilizzare per la prima volta un film sottile di nanotubi come elettrodo e strato di blocco dei fori in una cella solare organica.