I ricercatori della National Research Nuclear University MEPhI (Russia) stanno sviluppando batterie beta-voltaiche con isotopi radiofonici con pellicole di isotopi radio nano-cluster di nichel-63. Il concetto è quello di sviluppare batterie nucleari sicure con una durata di 100 anni per pacemaker, sensori di glucosio in miniatura, sistemi di monitoraggio della pressione arteriosa, e per controllare oggetti remoti e micro-robot, e sistemi autonomi che possono funzionare a lungo. I risultati della ricerca sono pubblicati sulla rivista Lettere di fisica applicata .

I ricercatori sono più che mai interessati a progetti per sviluppare nanotecnologie per miniaturizzare dispositivi tecnologici, principalmente sistemi nanoelettronici. Gli ultimi risultati nella creazione di sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici che combinano nanoelettronica ed elementi meccanici possono consentire lo sviluppo di fisica microscopica, sensori biologici o chimici. Però, la mancanza di batterie in miniatura per l'alimentazione di sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici ostacola l'introduzione su larga scala di tali dispositivi.

Oggi, scienziati stanno studiando la possibilità di creare batterie agli ioni di litio in miniatura, pannelli solari, celle a combustibile e vari tipi di condensatori. Però, queste batterie sono ancora troppo grandi per sviluppare sistemi veramente microscopici e di dimensioni nanometriche.

Un altro approccio per alimentare sistemi microelettromeccanici e nanoelettromeccanici avanzati è l'uso di batterie a isotopi radio. radioisotopi o batterie nucleari o atomiche convertono l'energia del decadimento radioattivo di elementi metastabili (nuclei atomici) in elettricità. Questi elementi hanno livelli di alta densità di energia per la loro massa e volume. La durata dell'emissione di energia sostenuta varia, a seconda della scelta dei nuclidi. Le batterie a isotopi radio silenziose possono funzionare senza errori o manutenzione per lungo tempo.

Proprietà uniche del nichel-63

La conversione termoelettrica è vista come uno dei metodi più convenienti per convertire l'energia del decadimento radioattivo in elettricità. Ma gli scienziati stanno anche studiando le batterie beta-voltaiche e le loro applicazioni pratiche. Installando un isotopo radio che emette radiazioni beta morbide in una batteria in miniatura, è possibile schermare gli utenti e gli oggetti vicini dalle radiazioni. Perciò, tali batterie avrebbero applicazioni ad ampio raggio.

I ricercatori MEPhI hanno studiato le proprietà elettrofisiche del film di nichel nano-cluster e selezionato i parametri ottimali di un esperimento volto a creare un sistema per convertire efficacemente l'energia del decadimento beta dell'isotopo nichel-63 in elettricità. L'isotopo nichel-63 è tra i radionuclidi più promettenti nei processi beta-voltaici. Questo morbido emettitore di radiazioni beta ha una lunga emivita di 100,1 anni. Di conseguenza, questo elemento unico è ideale per alimentare vari sistemi che non richiedono un'elevata potenza.

Elastico, resiliente, il nichel relativamente inerte e facile da lavorare è un metallo efficace in termini di proprietà. Non deve essere immagazzinato e trasportato all'interno di contenitori. I ricercatori stanno cercando di aumentare l'efficienza degli attuali sistemi che convertono l'energia del decadimento beta dell'elemento nichel-63 in elettricità e di trovare sistemi fisici alternativi. Questo approccio è molto promettente.

I ricercatori MEPhI stanno usando nuovi approcci

I ricercatori hanno sviluppato un sistema fisico insolito per generare elettroni secondari all'interno di film di nichel nanostrutturati e per migliorare notevolmente il segnale di corrente causato da una cascata di numerose collisioni non elastiche di particelle beta, disse Pyotr Borisyuk, un assistente professore presso la Facoltà di problemi di metrologia fisico-tecnica di MEPhI.

"È relativamente facile realizzare un sistema sperimentale che consiste in una serie di nano-cluster di nichel densamente impacchettati con la distribuzione del gradiente di nanoparticelle sulla superficie dell'ossido di silicio, un dielettrico a banda larga, a seconda delle loro dimensioni, " ha osservato.

I ricercatori riferiscono che la formazione di film di nano-cluster di nichel-63 con la distribuzione del gradiente di nanoparticelle combina due importanti processi. Primo, diventa possibile sviluppare rivestimenti con una differenza di potenziale fissa determinata da diverse dimensioni di nanoparticelle in una direzione prestabilita. Secondo, convertirà l'energia del decadimento beta dell'isotopo nichel-63 in una corrente elettrica senza utilizzare ulteriori sistemi a semiconduttore difficili da produrre.

Le proprietà uniche dei film di nichel nano-cluster a gradiente emergenti. i generatori di radioisotopi con conversione termoelettrica hanno applicazioni pressoché illimitate. Tiny nuclear batteries could be used for micro-electromechanical and nano-electromechanical systems, pacemakers, miniature glucose sensors and arterial blood pressure monitoring systems, and for controlling remote objects and micro-robots, as well as self-contained systems that can operate for a long time in deep space, beneath the sea and in the extreme north.