Utilizzando componenti su scala nanometrica, ricercatori hanno dimostrato la prima rectenna ottica, un dispositivo che combina le funzioni di un'antenna e di un diodo raddrizzatore per convertire la luce direttamente in corrente continua.

Basato su nanotubi di carbonio multiparete e minuscoli raddrizzatori fabbricati su di essi, le rectenna ottiche potrebbero fornire una nuova tecnologia per i fotorivelatori che funzionerebbero senza la necessità di raffreddamento, raccoglitori di energia che convertirebbero il calore di scarto in elettricità e, infine, un nuovo modo per catturare in modo efficiente l'energia solare.

Nei nuovi dispositivi, sviluppato da ingegneri del Georgia Institute of Technology, i nanotubi di carbonio fungono da antenne per catturare la luce del sole o di altre fonti. Mentre le onde di luce colpiscono le antenne dei nanotubi, creano una carica oscillante che si muove attraverso dispositivi raddrizzatori ad essi collegati. I raddrizzatori si accendono e si spengono a velocità record di petahertz, creando una piccola corrente continua.

Miliardi di rectenna in un array possono produrre una corrente significativa, anche se l'efficienza dei dispositivi dimostrati finora rimane inferiore all'uno per cento. I ricercatori sperano di aumentare tale output attraverso tecniche di ottimizzazione, e credono che una rectenna con potenziale commerciale possa essere disponibile entro un anno.

"Potremmo in definitiva realizzare celle solari due volte più efficienti a un costo dieci volte inferiore, e questa è per me un'opportunità per cambiare il mondo in un modo molto grande", ha detto Baratunde Cola, professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech. "Come un robusto, rivelatore ad alta temperatura, queste rectenna potrebbero essere una tecnologia completamente dirompente se riusciamo a raggiungere l'1% di efficienza. Se riusciamo a raggiungere efficienze più elevate, potremmo applicarlo alle tecnologie di conversione dell'energia e alla cattura dell'energia solare".

La ricerca, sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), lo Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center e l'Army Research Office (ARO), dovrebbe essere riportato il 28 settembre sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Sviluppato negli anni '60 e '70, rectennas hanno operato a lunghezze d'onda inferiori a dieci micron, ma da più di 40 anni i ricercatori cercano di realizzare dispositivi a lunghezze d'onda ottiche. C'erano molte sfide:rendere le antenne abbastanza piccole da accoppiare lunghezze d'onda ottiche, e fabbricare un diodo raddrizzatore di adattamento sufficientemente piccolo e in grado di funzionare abbastanza velocemente da catturare le oscillazioni delle onde elettromagnetiche. Ma il potenziale dell'alta efficienza e del basso costo ha spinto gli scienziati a lavorare sulla tecnologia.

"La fisica e i concetti scientifici sono stati là fuori, " disse Cola. "Ora era il momento perfetto per provare alcune cose nuove e far funzionare un dispositivo, grazie ai progressi nella tecnologia di fabbricazione."

Utilizzando nanotubi di carbonio multiparete metallici e tecniche di fabbricazione su scala nanometrica, Cola e i collaboratori Asha Sharma, Virendra Singh e Thomas Bougher hanno costruito dispositivi che utilizzano la natura ondulatoria della luce piuttosto che la sua natura particellare. Hanno anche usato una lunga serie di test - e più di mille dispositivi - per verificare misurazioni sia di corrente che di tensione per confermare l'esistenza di funzioni rectenna che erano state previste teoricamente. I dispositivi funzionavano a una gamma di temperature da 5 a 77 gradi Celsius.

La fabbricazione delle rectenna inizia con la crescita di foreste di nanotubi di carbonio allineati verticalmente su un substrato conduttivo. Usando la deposizione chimica da vapore dello strato atomico, i nanotubi sono rivestiti con un materiale di ossido di alluminio per isolarli. Finalmente, la deposizione fisica da vapore viene utilizzata per depositare strati sottili otticamente trasparenti di calcio e poi metalli di alluminio in cima alla foresta di nanotubi. La differenza di funzioni di lavoro tra i nanotubi e il calcio fornisce un potenziale di circa due elettronvolt, abbastanza per cacciare gli elettroni dalle antenne dei nanotubi di carbonio quando sono eccitati dalla luce.

In operazione, onde luminose oscillanti attraversano l'elettrodo trasparente di calcio-alluminio e interagiscono con i nanotubi. Le giunzioni metallo-isolante-metallo sulle punte dei nanotubi fungono da raddrizzatori che si accendono e si spengono a intervalli di femtosecondi, permettendo agli elettroni generati dall'antenna di fluire in un modo nell'elettrodo superiore. Capacità ultra bassa, per ordine di pochi attofarad, consente al diodo di diametro di 10 nanometri di funzionare a queste frequenze eccezionali.

"Una rectenna è fondamentalmente un'antenna accoppiata a un diodo, ma quando entri nello spettro ottico, che di solito significa un'antenna su scala nanometrica accoppiata a un diodo metallo-isolante-metallo, " spiegò Cola. "Più si avvicina l'antenna al diodo, più è efficiente. Quindi la struttura ideale utilizza l'antenna come uno dei metalli nel diodo, che è la struttura che abbiamo realizzato".

Le rectennas fabbricate dal gruppo Cola sono coltivate su substrati rigidi, ma l'obiettivo è farli crescere su un foglio o altro materiale che produrrebbe celle solari flessibili o fotorivelatori.

Cola vede le rectennas costruite finora come semplici prove di principio. Ha idee su come migliorare l'efficienza cambiando i materiali, aprendo i nanotubi di carbonio per consentire più canali di conduzione, e riducendo la resistenza nelle strutture.

"Pensiamo di poter ridurre la resistenza di diversi ordini di grandezza semplicemente migliorando la fabbricazione delle strutture dei nostri dispositivi, " ha detto. "Sulla base di ciò che gli altri hanno fatto e di ciò che la teoria ci sta mostrando, Credo che questi dispositivi potrebbero raggiungere un'efficienza superiore al 40%."