Jeffrey Grossman pensa che abbiamo guardato male al carbone. Invece di dargli fuoco, ignorando così la complessità molecolare di questo materiale così vario, lui dice, dovremmo sfruttare il valore reale di quella diversità e di quella chimica complessa. Il carbone potrebbe diventare la base per i pannelli solari, batterie, o dispositivi elettronici, lui e il suo gruppo di ricerca dicono.

Come prima dimostrazione di ciò che vedono come un'ampia gamma di potenziali usi high-tech per questo materiale tradizionalmente a bassa tecnologia, Uomo volgare, studente di dottorato Brent Keller, e il ricercatore Nicola Ferralis sono riusciti a realizzare un semplice dispositivo di riscaldamento elettrico che potrebbe essere utilizzato per sbrinare i finestrini delle auto o le ali degli aerei, o come parte di un impianto biomedico. Nello sviluppo di questa prima applicazione, hanno anche caratterizzato per la prima volta in dettaglio la chimica, elettrico, e proprietà ottiche di film sottili di quattro diversi tipi di carbone:antracite, lignite, e due tipi bituminosi. Le loro scoperte sono state appena riportate sulla rivista Nano lettere .

"Quando guardi al carbone come materiale, e non solo come qualcosa da bruciare, la chimica è estremamente ricca, "dice Grossman, il Morton e Claire Goulder e Family Professor in Environmental Systems presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE). La domanda che voleva porre è, "Potremmo sfruttare la ricchezza della chimica in cose come il carbone per creare dispositivi che abbiano funzionalità utili?" La risposta, lui dice, è un sonoro sì.

Si scopre, Per esempio, che le varietà di carbone presenti in natura, senza la purificazione o la raffinazione necessaria per realizzare dispositivi elettronici in silicio, hanno una gamma di conduttività elettrica che si estende su sette ordini di grandezza (dieci milioni di volte). Ciò significa che una data varietà di carbone potrebbe fornire intrinsecamente le proprietà elettriche necessarie per un particolare componente.

Progettare un processo

Parte della sfida era capire come elaborare il materiale, dice Grossman. Per quello, Keller ha sviluppato una serie di passaggi per ridurre in polvere il materiale, mettilo in soluzione, quindi depositarlo in sottili pellicole uniformi su un substrato, un passaggio necessario nella fabbricazione di molti dispositivi elettronici, dai transistor al fotovoltaico.

Nonostante il carbone sia da secoli una delle sostanze più utilizzate dall'uomo, le sue proprietà elettroniche e ottiche di massa non erano mai state realmente studiate allo scopo di dispositivi avanzati.

"Il materiale non è mai stato affrontato in questo modo prima d'ora, "dice Keller, che ha svolto gran parte del lavoro come parte della sua tesi di dottorato in DMSE, "per scoprire quali sono le proprietà, quali caratteristiche uniche potrebbero esserci." Per fare ciò, ha sviluppato un metodo per fare film sottili, che potrebbe quindi essere testato in dettaglio e utilizzato per la fabbricazione del dispositivo.

Anche questo nuovo, la caratterizzazione dettagliata che hanno effettuato è solo la punta di un grande iceberg, dice la squadra. Le quattro varietà selezionate sono solo alcune delle centinaia esistenti, il tutto con probabili differenze significative. E preparare e testare i campioni era, fin dall'inizio, un processo insolito per gli scienziati dei materiali. "Di solito vogliamo creare materiali da zero, combinando accuratamente materiali puri in rapporti precisi, "dice Ferralis, anche in DMSE. In questo caso, anche se, il processo consiste nel "selezionare da questa vasta libreria di materiali, "tutti con le loro diverse varianti.

Usando la complessità della natura

Mentre il carbone e altri combustibili fossili sono stati a lungo utilizzati come materie prime per l'industria chimica, producendo di tutto, dalla plastica ai coloranti e ai solventi, tradizionalmente il materiale è stato trattato come altri tipi di minerale grezzo:qualcosa da raffinare nei suoi costituenti di base, atomi, o semplici molecole, che vengono poi ricombinati per ottenere il materiale desiderato. Usando le sostanze chimiche che la natura ha fornito, così come sono, è un nuovo approccio insolito. E i ricercatori hanno scoperto che semplicemente regolando la temperatura alla quale viene lavorato il carbone, potrebbero sintonizzare molte delle proprietà ottiche ed elettriche del materiale esattamente sui valori desiderati.

Il semplice dispositivo di riscaldamento realizzato dal team come prova di principio fornisce una dimostrazione end-to-end di come utilizzare il materiale, dalla macinazione del carbone, depositarlo come un film sottile e trasformarlo in un dispositivo elettronico funzionale. Ora, dicono, le porte si aprono per un'ampia varietà di potenziali applicazioni attraverso ulteriori ricerche.

Il grande vantaggio potenziale del nuovo materiale, Grossman dice, è il suo basso costo derivante dal materiale di base intrinsecamente economico, combinato con una semplice elaborazione della soluzione che consente bassi costi di fabbricazione. Gran parte della spesa associata al silicio o al grafene di qualità chip, Per esempio, sta nella purificazione dei materiali. Silice, la materia prima per i chip di silicio, è economico e abbondante, ma la forma altamente raffinata necessaria per l'elettronica (in genere pura al 99,999 percento o più) non lo è. L'uso del carbone in polvere potrebbe fornire un vantaggio significativo per molti tipi di applicazioni, grazie alla modulabilità delle sue proprietà, la sua elevata conduttività, e la sua robustezza e stabilità termica.

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.