Alcune delle scoperte scientifiche più famose sono avvenute per caso. Dal teflon e dal microonde alla penicillina, gli scienziati che cercano di risolvere un problema a volte trovano cose inaspettate. Questo è esattamente il modo in cui abbiamo creato i nanonastri di fosforene, un materiale costituito da uno dei mattoni fondamentali dell'universo, ma questo ha il potenziale per rivoluzionare un'ampia gamma di tecnologie.

Stavamo cercando di separare strati di cristalli di fosforo in fogli bidimensionali. Anziché, la nostra tecnica ha creato piccoli, nastri tipo tagliatelle dello spessore di un solo atomo e solo un centinaio di atomi di diametro, ma fino a 100, 000 atomi di lunghezza. Abbiamo impiegato tre anni ad affinare il processo produttivo, prima di annunciare i nostri risultati.

I nastri bidimensionali hanno una serie di proprietà notevoli. Il loro rapporto larghezza/lunghezza è simile ai cavi che attraversano il Golden Gate Bridge. Sono incredibilmente uniformi ma la larghezza manipolabile ne consente le proprietà, come se e come conducono l'elettricità, da mettere a punto. Sono anche incredibilmente flessibili, il che significa che possono seguire perfettamente i contorni di qualsiasi superficie su cui vengono applicati, e persino essere contorto.

Potenziale trasformativo

Più di 100 articoli scientifici hanno previsto il potenziale trasformativo di questi nanonastri, se fosse possibile crearli, attraverso una serie di tecnologie, alcune fino a cinque anni prima della pubblicazione della nostra scoperta su Nature.

Forse il più importante di questi è nell'area della tecnologia delle batterie. La struttura ondulata dei nanonastri di fosforene significa che gli ioni carichi che alimentano le batterie potrebbero presto muoversi fino a 1000 volte più velocemente di quanto attualmente possibile. Ciò significherebbe una significativa diminuzione del tempo di ricarica, insieme ad un aumento della capacità di circa il 50%. Tali miglioramenti delle prestazioni fornirebbero enormi incrementi alle industrie delle auto elettriche e degli aerei, e consentirci di sfruttare molto meglio l'energia rinnovabile per eliminare la dipendenza dai combustibili fossili anche dal grigio, giorni sereni.

Significa anche che in futuro, le batterie potrebbero utilizzare ioni di sodio invece di ioni di litio. Le riserve di litio note potrebbero non essere in grado di soddisfare gli enormi aumenti previsti della domanda di batterie, e l'estrazione del metallo può essere dannosa per l'ambiente. Sodio, al contrario, è abbondante ed economico.

Il campo dell'elettronica può anche essere grato per i nanonastri. La legge di Moore osserva che la potenza di elaborazione del computer raddoppia ogni due anni, ma questo ritmo rischia di rallentare man mano che i limiti fisici dei materiali si stanno avvicinando rapidamente. L'utilizzo di materiali "2D" come il nostro potrebbe ridefinire questi limiti, permettendoci di realizzare dispositivi sempre più piccoli e veloci.

I nastri potrebbero risolvere un altro importante ostacolo in quest'area:come collegare elettricamente i nanomateriali senza creare una grande resistenza (e quindi perdita di energia) alle giunzioni. Le versioni spesse a più strati di nanonastri di fosforene possono essere divise senza soluzione di continuità in nastri con diverse altezze e proprietà elettriche, aggirare i consueti requisiti ingegneristici delle connessioni. Grazie a questo, le celle solari ad alta efficienza potrebbero ora essere molto più vicine alla realtà.

La flessibilità e le proprietà termoelettriche dei nanonastri di fosforene significano che potrebbero anche essere incorporati in tessuti indossabili, e utilizzato per convertire il calore di scarto in elettricità utile. Per esempio, potremmo presto vedere magliette termoelettriche che funzionano come monitor per il cuore e il livello di zucchero nel sangue, tutto alimentato dal solo calore corporeo.

La tecnologia potrebbe sbloccare il potenziale dell'idrogeno come combustibile efficiente ea basse emissioni di carbonio. Il gas è abbondantemente disponibile in acqua e produce ossigeno come sottoprodotto solo quando viene estratto. Però, trovare un modo per farlo a buon mercato finora è sfuggito agli scienziati. Le molecole d'acqua possono essere scisse attraverso un processo chiamato fotocatalisi, ma il metodo richiede un materiale che assorbe molta luce, e le cui proprietà energetiche si sposano bene con l'acqua. Si prevede che i nanoribboni abbiano esattamente queste qualità, così come un'elevata superficie che massimizzerebbe il contatto con l'acqua, rendendolo un candidato promettente per risolvere l'enigma della produzione di idrogeno.

incoraggiante, i nanonastri di fosforene hanno già superato i principali ostacoli sulla strada della commercializzazione. Trovare un metodo di produzione scalabile come il nostro richiede anni per la maggior parte dei nuovi materiali, e alcuni non vedono mai la luce del giorno. A questo si aggiunge, il fosforo è un materiale relativamente abbondante e facilmente estraibile nella crosta terrestre. E poiché i nostri nastri sono già formati nei liquidi, inchiostri o vernici possono essere facilmente prodotti per manipolarli su larga scala utilizzando metodi a basso costo come la verniciatura a spruzzo o la stampa a getto d'inchiostro.

La produzione di questi nastri è comunque solo il primo passo per rivoluzionare le tecnologie di cui sopra. Ora è necessario svolgere molte ricerche per testare le previsioni teoriche, e indagare fino a che punto le proprietà dei nastri possono essere adattate per applicazioni specifiche. Come i viaggi di oltre 20 anni di Teflon, batterie al litio, e il velcro ci mostra, la strada dalla scoperta all'uso può essere lunga. Ma con la società che si allontana sempre più dai combustibili fossili, ci aspettiamo che quella strada sia presto ben percorsa.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.